Hablemos de los sensores de proximidad

Hola bienvenido a este nuevo post donde hablaremos sobre el sensor de proximidad (SP), ya que, este tipo de sensor puede ayudarte mucho en tu casa, oficina y prácticamente en cualquier lugar, además, si eres estudiante o profesionista es de vital importancia que compres uno para hacer tus practicas.

El objetivo principal de este post es, que aprendas:

• ¿Qué es el sensor de proximidad?
• Los conceptos teóricos de estos detectores.
• Aprenderás el principio de su funcionamiento.
• Veremos los diferentes tipos que existen.
• Las diferentes aplicaciones que hay.
• ¿Te interesa realizar un proyecto? Pues aprenderás a como seleccionarlo para realizar tus prácticas.
• Podrás aplicar estos conocimientos en una aplicación con Arduino.
• Finalmente, conocerás que estos detectores no solo se limitan a trabajar con Arduino, sino también con Android Studio.

Dime ¿En qué otra página vas a encontrar todo esto? Estoy seguro que en ninguna, así que vayamos paso a paso.

¿Dónde comprar un sensor de proximidad?

Si lo que deseas es ver modelos y productos te traigo estas opciones que será lo mejor que verás hoy, muchos me preguntan si es mejor comprar en Internet o en alguna tienda local, y la respuesta es depende de la urgencia, en línea podemos encontrar precios muy bajos en la mayoría de los casos, por eso te recomiendo estos productos para que no salgas de casa.

Compra tu sensor de proximidad con Arduino

Ahora si eres estudiante de electrónica o todo un profesionista, no te puede faltar estos dos productos que te dejo a continuación, en lo personal tengo ambos y no me paro de estar experimentando, deberías experimentar tu también están súper baratos. Mas abajo te dejo un ejemplo y código para que practiques.

¿Qué es un sensor de proximidad?

El sensor de proximidad es un dispositivo transductor que tiene la capacidad de reconocer o sensar la presencia de un objeto cercano a su campo sin la necesidad de tener contacto alguno con dicho objeto.

No es por nada pero creo que mi definición ha sido muy buena, pero para que no te quede ninguna duda, a continuación te dejo algunos puntos importantes y un poco de historia.

Un poco de historia y datos importantes sobre el sensor de proximidad

Hoy en día, los dispositivos que ha representado una gran innovación y avance en el campo de la tecnología, son los sensores, detectores o sondas.

Estos dispositivos han hecho posible muchas cosas, desde una mejor y más eficiente producción en la industria en diferentes áreas, hasta un gran avance en la rama del Internet de las Cosas (IoT), pasando por la domótica y la experimentación amateur y profesional, con sistemas como Arduino, PIC y Raspberry.

Y uno de los sensores que ha representado un antes y un después en la aplicación de la tecnología, son los sensores de proximidad.

Este sensor nace de la necesidad de poder detectar un objeto (de cualquier material) sin la necesidad de contacto físico; en donde se lleva acabo un conversión de una magnitud física a una magnitud eléctrica y/o magnética.

El primer detector de proximidad que se presentó de manera oficial, fue el sensor inductivo para metales de Pepperl Fush en 1958.

El SP es un dispositivo de tipo transductor (dispositivo capaz de transformar una energía de entrada a otra de salida con valores pequeños), su principal propósito es detectar lo que sucede con algún artefacto u objeto sin entrar directamente en contacto con él.

¿Cómo lo logra? Algunos de estos sensores lo logran gracias a los campos electromagnéticos que estos, en su funcionamiento y arquitectura poseen.

El sensor, por naturaleza, tiene como objetivo buscar cualquier alteración realizada dentro de su campo de detección y la representa en valores. Pero, dentro de esta naturaleza existen diversos tipos de sensores de proximidad, que representan diferente estas alteraciones.

Cabe destacar que gracias a que este tipo de sensores no tienen un contacto físico directo con el objeto a trabajar, tienen una vida útil mucho más larga que otra familia de sensores.

¿Qué es el rango nominal?

Cuando nosotros hablamos de un sensado de proximidad, tenemos que hablar de manera obligatoria de un concepto teórico llamado “Rango nominal”. Este rango nominal no es más que el rango máximo de campo en el que se puede detectar presencia de un objeto. En otras fuentes puedes encontrarlo como la distancia máxima o nominal que un sensor de proximidad detecta un objeto.

Generalmente estos sensores teóricamente funcionan con el principio de un transmisor y un receptor. Un ejemplo de esto son los sensores de movimiento.

¿Cómo funciona un sensor de movimiento?

Para comenzar, un sensor de movimiento o también llamado sensor de presencia, es un dispositivo electrónico con un sistema de encendido-apagado que funciona si se detecta la presencia de un objeto, aunque depende mucho del ambiente donde este se encuentre.

En el campo de la electrónica y en general en la industria, se utilizan mucho 3 tipos de sensores de movimiento: Los sensores ultrasónicos de presencia, los sensores duales y los sensores infrarrojos. Te voy a explicar de manera resumida ambos tipos.

• SENSORES INFRARROJOS: El infrarrojo emite un haz de luz, y si un objeto en presencia corta ese haz de luz infrarroja, es cuando se detecta presencia o movimiento. También puede hacer este sensado por medio de temperatura.
• SENSORES ULTRASÓNICOS DE PRESENCIA: Su funcionamiento se basa en la transmisión y recepción, puede captar movimiento o presencia gracias a una onda ultrasónica que transmite, una vez transmitida, esta rebota contra el objeto en el ambiente y regresa al sensor.
• SENSORES DUALES. Estos sensores son la combinación entre los dos anteriores; sensado por ondas ultrasónicas e infrarrojos. Se utilizan generalmente cuando se necesita un alto nivel de detección.

A estos sensores se les puede regular el alcance, en función al tiempo de activación y la luminosidad.

Muy bien, ahora que ya conoces la parte teórica de los sensores de proximidad, es tiempo de que veamos los diferentes que existen; esto te permitirá saber con precisión qué tipo de sensor debes utilizar si deseas realizar un proyecto o automatizar un proceso.

Tipos de sensores de proximidad (magnitud de posición y presencia)

➤ Capacitivos

• Los sensores capacitivos pueden ser utilizados para detectar todo tipo de objetos: metales, plásticos, telas, etc. También detectan niveles de líquidos y mezclas, por eso es tan usado en las industrias que necesiten detectar vacíos o llenados, tanto líquidos como a granel.
  • Puedes leer más sobre este tipo en mi post de Sensores capacitivos.

➤ Inductivos

• Es un dispositivo electrónico que usa un sistema de detección de proximidad, este tipo de sensor tiene la característica especial de detectar objetos de naturaleza metálica.
  • Puedes leer más sobre este tipo en mi post de Sensores inductivos

➤ Fotoeléctricos

• Este tipo de sensor de proximidad se caracteriza por funcionar con un receptor de rayos infrarrojos y utilizar el fenómeno de la reflexión de la luz.
• El circuito de salida utiliza una señal emanada por el receptor y la adapta a otra salida únicamente pasa el sistema.
• Cabe destacar que la señal infrarroja que envía el emisor puede ser codificada, esto con el objetivo de identificar varios sensores a la vez.

➤ Infrarrojos

• Tiene un funcionamiento muy parecido al del sensor fotoeléctrico. El sensor de proximidad infrarrojo tiene como característica especial el uso constante de ráfagas de pulsos y señales infrarrojas.
• El principio de funcionamiento consiste en generar pulsos a baja frecuencia y se transmiten por un diodo led infrarrojo.
• Posteriormente se puede implementar un fototransistor colocado de forma que solo los reciba cuando el objeto refleje los pulsos.
• Esa señal, finalmente, es procesada para encender o apagar sistemas o aparatos.
• Se pueden aplicar a muchos campos, como en el uso doméstico, en las cámaras de seguridad, en el sensado automovilístico, periféricos computacionales y en la medicina

➤ Magnéticos

• Los sensores magnéticos generalmente están hechos de materiales magnéticos, de ahí su nombre.
• Se caracterizan por tener una distancia grande de conmutación o zona de detección.
• Usando conductores magnéticos sobre la arquitectura del sensor, el campo magnético (los cuales también pueden pasar a través de materiales no magnéticos) se pueden transmitir sobre mayores distancias.
• Este tipo de sensores se utilizan cuando tenemos un ambiente de detección con altas temperaturas.

➤ Ultrasónicos

• Este tipo de sensores son los más utilizados y conocidos, su funcionamiento se basa en las señales ultrasónicas.
• Las señales ultrasónicas son trasmitidas hacia el objetivo, estas señales rebotan y son reflejadas hacia el sensor, el cual las recibe nuevamente para detectar la presencia y distancia de un objeto.
• Se caracterizan también por su alta fiabilidad y versatilidad en cualquier ambiente. Se aplica en toda industria, pero reina en la robótica.
  • Aquí te dejo este post de Sensores ultrasónicos para que aprendas más.

➤ Óptico

• Este tipo de sensores de proximidad utiliza fotocélulas para poder sensar la posición de un objeto, generalmente tiene como arquitectura un emisor de luz y una fotocélula de detección.
• Para que esto sea posible, se presenta el fenómeno de reflexión y detección de un haz de luz que se refleja sobre el objetivo a trabajar, se caracterizan por una distancia mayor de detección (esto también depende mucho del modelo a utilizar).
• Se pueden aplicar en la seguridad de propiedades y lugares reducidos.
• Si nos detenemos a pensar un momento, es increíble este sensor, prácticamente lo podemos encontrar en todas partes.

Aplicaciones del sensor de proximidad

Basándonos sobre los tipos de sensores que hemos mencionado anteriormente, podemos definir muchas aplicaciones donde en general, el sensor de proximidad tiene un protagónico muy importante y, es que no es casualidad que se utilice mucho, ya que tiene muchas características que lo hacen funcional y seguro.

A continuación, en formato de lista te dejo algunas aplicaciones que el sensor de proximidad y sus tipos tienen.

➤ Posición de medición

• Los sensores capacitivos y de ultrasonido pueden medir la distancia y composición del objetivo a detectar, esta característica los hace perfectos para implementar en la industria de la automatización, el procesamiento de sistemas de calidad dentro de la industria alimentaria y la aviación

➤ Touchpads

• Una de las aplicaciones maestras que tiene el sensor de proximidad se encuentra en nuestros teléfonos celulares, tablets, y monitores táctiles.
• Estos sensores incluidos en estos dispositivos detectan la presencia de la posición de los dedos para llevar a cabo varios comandos, sin embargo, para aplicar este sensor a una pantalla, es conveniente considerar ciertos puntos, como los metales, los cuales deben ser metales dieléctricos para la superficie táctil, la sensibilidad a la presencia de otro objeto metálico en el rango del sensor y el diseño de la almohadilla de contacto.

➤ Detección de movimiento dinámico

• La mayoría de los detectores de proximidad perciben el movimiento de un objeto, los movimientos pueden ser circulares, lineales o vibratorios, un ejemplo de esta detección se encuentra en algunas casas inteligentes que, para ahorrar energía, tienen en ventiladores y apagadores algunos sensores.

➤ Pruebas de ensamble

• En esta aplicación se usa la mayoría de las veces los sensores capacitivos, ya que su característica referente a la sensibilidad ayuda a detectar algún problema cuando se está ensamblando partes pequeñas de un sistema, para así evitar filtraciones e interrupciones de otros materiales que no corresponden al ensamblado.

➤ Robótica

• Otra aplicación que tienen los sensores de proximidad es la del campo de la robótica. Algunos sistemas robóticos utilizan sensores de proximidad ultrasónicos para guiarse en su camino, es decir, detectan obstáculos y los esquivan, siguiendo su camino.

➤ Seguridad

• Los sensores de proximidad, sobre todo los infrarrojos, se utilizan en cámaras de seguridad para detectar la presencia de un objeto.

➤ Seguridad aérea

• En el campo de la aviación, se utilizan los sensores de proximidad infrarrojos para monitorear y examinar el área sobrevolada. Posteriormente, también se utiliza para dar anticipó de que hay tierra a la vista.

➤ Conteo de productos

• Se utiliza un sensor de tipo capacitivo para contabilizar cuantos productos se encuentran, por ejemplo, en un costal, también se utiliza para conocer cuánto producto liquido hay en determinado envase.

➤ Aplicaciones militares

• Es bien sabido que muchos sistemas de nivel militar utilizan sensores de proximidad. Un ejemplo de esto serían los pequeños radares que se utilizan tanto a mar abierto como en tierra, para detectar presencia enemiga o de civiles. Otra aplicación que utiliza este tipo de sensores, son las minas especializadas.
• Y así podemos encontrar muchas aplicaciones, unas más sofisticadas que otras, sin embargo, aquí surge algo que debes conocer muy bien, y es el cómo seleccionar un sensor de proximidad.
• Como sabes, si quieres utilizar un sensor primero debes de saber dónde lo vas a aplicar, y aquí no es la excepción, así que ahora toca ver este caso en a continuación.

¿Cómo seleccionar un sensor de proximidad?

Si has llegado hasta aquí eres del 30% que triunfará en la vida, la mayoría no pasa de los productos, les da pereza leer, pero tu, eres un master y aprenderás a seleccionar y manejar este tipo de sensor.

Como te mencione anteriormente, para elegir un sensor de proximidad es muy importante tener en cuenta para que lo quieres utilizar. Algunos puntos que debes tener bien definidos son:

• Proyecto o actividad que le darás al sensor.
• El tamaño.
• La distancia de detección.
• El material a detectar.
• Las propiedades del material a detectar

Aquí te dejo una pequeña tabla donde te resumo el material que cada sensor puede detectar y el rango nominal.

Tabla de materiales de cada sensor y rango nominal

Seleccionando el sensor según su alcance y tipo de material

• Por ejemplo, si tú necesitas detectar objetos metálicos a una distancia relativamente corta, puedes utilizar los inductivos, ya que su utilidad se limita a los objetos de naturaleza metálica y su rango de alcance es considerable.
• Otro ejemplo es si quieres medir el llenado de varios productos líquidos o de un tinaco. Aquí lo eficiente seria utilizar un inductivo de igual forma, ya que su naturaleza nos permite medir el nivel de llenado.

Como puedes ver, la razón de uso es muy importante para seleccionar un sensor, ya que, aunque algunos parezcan lo mismo, no lo son.

Hay sensores que nos pueden ayudar para sensar lo mismo, aparentemente, pero no, por ejemplo, utilizar un capacitivo para detectar objetos metálicos en vez de utilizar inductivos, si podríamos hacerlo, pero sería poco eficiente.

Sensor de proximidad HC-SR04 con Arduino

Como te había mencionado en la introducción, podemos utilizar el sistema Arduino para implementar un sensor de proximidad.

En este caso, te voy a mostrar un ejemplo súper sencillo y didáctico que tú puedes realizar sin ningún problema.

• Utilizaremos un sensor de proximidad modelo HC-SR04 y un Arduino Uno R3

Bien, a continuación, te mostraré la conexión y simulación en el Software “TinkerCad” en la sección de circuitos.

• Puedes encontrar este programa de modelado 3D gratuito en https://www.tinkercad.com

Muy bien, ahora que te he especificado la herramienta de simulación que utilizaremos, veremos las especificaciones de nuestro sensor de proximidad modelo HC-SR04:

• Sensor de proximidad de tipo ultrasonido.
• Voltaje de alimentación de 5 v (volts).
• Rango de medición o detección de 2 cm a 500 cm (Muy amplio).
• Resolución de 1 cm.
• Su frecuencia de ultrasonido es de 4KHz
• Ángulo eficaz de <15°
• Consta de 4 pines:
  • 1. Voltaje (Vcc)
  • 2. Tierra (GND)
  • 3. ECHO: Es un pin de entrada
  • 4. TRIGGER: Es un pin de salida.

¡Excelente! Ahora te dejare el diagrama de conexión de nuestro sensor ultrasónico al Arduino.

Vamos por partes

• Podemos ver que la conexión de VCC de nuestro sensor va en conexión directa con el pin con descripción 5v del Arduino.
• El GND del sensor va conectado al pin con descripción GND del Arduino.
• La conexión de ECHO del sensor va en el pin #11 (-11) y la conexión de TRIG va conectado al pin #12.

Es muy sencilla la conexión ¿No? Ahora podemos concluir que:

• El pin #12 va en conexión al TRIG del sensor (salida u output).
• El pin #11 va en conexión al ECHO del sensor (entrada u intput).

Muy bien, ahora, antes de adentrarnos al código y su explicación, tienes que conocer rápidamente algunos conceptos.

• Como no tenemos alguna forma de ver la distancia que está midiendo nuestro sensor ultrasónico, podemos utilizar una herramienta disponible en todos los Arduino: el puerto serial o “Serial Port”. Este tipo de conexión se realiza a través del cable USB a la computadora. En nuestro experimento, en este monitor serial veremos la distancia medida por el sensor ultrasónico.
• Para que nuestra medición sea en centímetros, es necesario que utilicemos una fórmula para calcular la distancia, formula que usaremos dentro del código:

Formula de distancia

Como podemos ver, la distancia es igual a la mitad de duración del pulso de regreso (ECHO) entre 29.

Usamos 29 ya que la velocidad del sonido en centímetros es 1/29cm/us (centímetros sobre microsegundos).

Muy bien, ya teniendo en cuenta estos datos anteriores, podemos entrar de manera completa al código.

• Revisemos el código: en esta parte definimos las variables que utilizaremos en todo el programa.

• Definimos nuestras configuraciones de programa (Setup). En los comentarios del programa puedes observar cada acción que realizada en cada línea.
• En esta configuración inicializamos el puesto serial para poder tener una comunicación con el Arduino y el sensor.
• Lo realizamos mediante un “Serial.begin” con una velocidad de comunicación de 9600 baudios (unidad con la que se mide esta velocidad)

• En esta parte del programa definimos las acciones que estarán en bucle (repetición), puedes ver las acciones realizadas en cada comentario de las líneas de código.
• Esta parte es muy importante ya que aquí es donde se genera el pulso que se va a transmitir, el efecto de ecolocalización, que posteriormente se calculara por medio de ECHO la duración de este pulso.

• Para conocer la duración del pulso transmitido lo hacemos a través de la variable "duración", en esta variable declaramos la instrucción pulseIn (el pulso de entrada que llega por ECHO).
• Como nuestro objetivo es conocer cuánto tiempo estuvo activado, tenemos que poner a ECHO en encendido (HIGH).
• Después, para calcular la distancia, aplicamos la fórmula que ya vimos anteriormente y finalmente imprimimos en el monitor cereal la distancia calculada y el prefijo de centímetros.

• Todo esto se ve de esta forma

• Como puedes apreciar, la distancia aparece en el monitor serial. Increíble ¿no?
• Es muy fácil realizar este pequeño ejemplo. ¡Inténtalo! Te vendrá muy bien un poco de práctica.
• A continuación, te dejo el código

//EJEMPLO DE PROGRAMA PARA SENSOR ULTRASONICO BY:EWebik  
/*En esta parte DEFINIREMOS (define) las variables que utilizaremos en el programa.  
 #define NombreDeVariable_#PIN  
 */ 
#define TRIGGER 12  
#define ECHO 11  
  
void setup()  
{  
   pinMode(ECHO, INPUT);            //Definimos la variable ECHO como una entrada.  
   pinMode(TRIGGER, OUTPUT);          //Definimos la variable TRIGGER como salida.  
   digitalWrite(TRIGGER, LOW);          //Apagamos o desactivamos la salida TRIGGER.  
   Serial.begin(9600);                //Activamos el monitor serial.  
}  
 
void loop()  
{  
   long distancia, duracion;      //Declaramos distancia y duraciòn de tipo LONG.  
   digitalWrite(TRIGGER, HIGH);   //Activamos la salida TRIGGER 
   delayMicroseconds(10);         //Lo activamos por 10 microsegundos  
   digitalWrite(TRIGGER, LOW);    //Desactivamos la salida TRIGGER 
   //ECOLOCALIZACION: SE GENERAN LOS PULSOS  
 
   duracion = pulseIn(ECHO,HIGH); //Se recibe nuevamente la señal  
   distancia = (duracion /2)/29; //formula para calcular la distancia.  
 
   Serial.print(distancia); //Se muestra la distancia calculada de ECHO.  
  Serial.println("cm"); //utilizamos el prefijo de centimentro.  
} 

Sensor de proximidad en Android

Cabe destacar que los sensores de proximidad no solo se pueden programar en Arduino, sino también en PIC y Android Studio.

En la plataforma de Android Studio proporciona la posibilidad de programar varios sensores, entre ellos incluye el sensor de proximidad y de movimiento. En Android, los sensores de proximidad son útiles para supervisar el movimiento del dispositivo, como la vibración e inclinación.

El movimiento suele ser reflejo del usuario al dispositivo, o del entorno de uso al dispositivo, en ambos casos de uso se utilizan para programar de manera eficiente el sensor de proximidad, independientemente de que tipo de sensor utilicemos.

Una característica que tiene los sensores de movimiento dentro de Android Studio es que por sí solos no suelen utilizarse para supervisar la posición de movimiento, por eso es eficiente utilizar este tipo de sensores en conjunto con otros. Esta programación puede realizarse tanto en Kotlin como en Java.

Este tema es increíble, en general el tema de los sensores es realmente útil e importante porque, como te dije al comienzo de este texto, representan un avance dentro del campo de la tecnología y la industria, han permitido automatizar muchos procesos y, por consiguiente, tener una mejor producción y calidad en servicios.

Los sensores de proximidad, como ya conoces, son muy variados y hay miles de aplicaciones en su haber, además, ya conoces directamente como implementar este tipo de sensores en Arduino y sabes que también puede utilizarse en Android Studio.

Antes de despedirnos, te recuerdo algunos puntos importantes.

• Para poder seleccionar con eficacia un sensor de proximidad, tenemos que conocer muy bien nuestro proyecto o la actividad objetivo que protagonizará nuestro sensor, esto se debe a que muchos sensores de proximidad se parecen en sus funciones, un ejemplo de lo anterior es el sensor inductivo con el sensor capacitivo.
• Puede existir muchos sensores de proximidad que se puedan usar con Arduino y Android Studio. En nuestro caso usamos uno de los más conocidos, que es el sensor ultrasónico.
• A pesar de que muchos sensores sean de la misma familia de sensores de proximidad, las características de cada uno pueden variar muchísimo.

Muy bien, ahora sabes muchísimo de los sensores de proximidad, incluso ya sabes cómo aplicar estos conocimientos a la práctica. Te felicito.

Recuerda que, para llegar a dominar estos sensores, se necesita mucha práctica. Hay muchos experimentos muy interesantes que puedes implementar de manera individual y totalmente didáctico.

No me voy sin antes recordarte que la práctica hace al maestro. ¡Animo! Hasta la próxima.