transductores de posición y velocidad

8/15/2019 Transductores de Posición y Velocidad

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Control de Maquinas Eléctricas UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

Transductores de Posición y Velocidad

INTRODUCCIÓN:

Los transductores son dispositivos que asoren ener!"a de unsiste#a $ #ediante una serie de #ecanis#os% #étodos $

decisiones se trans&or#a% cediéndola a otro siste#a en &or#a dedi&erente ener!"a'

(or lo tanto pode#os decir que se encar!ar) de reali*ar laconversi+n de una #a!nitud &"sica cualquiera en otra%nor#al#ente en &or#a de ener!"a eléctrica% aunque anta,o seutili*aan se,ales -idr)ulicas'

(ode#os lla#arlos ta#ién sensores o detectores% $a que noalteran la propiedad sensada% es decir% apenas in.u$e en elsiste#a a #edir% tan solo nos interesa captar los valoresproducidos de una deter#inada #a!nitud &"sica

(or tanto% la necesidad de tener que #edir $ anali*ar lasviraciones que se producen en #uc-as clases de estructuras

en situaciones particulares -a &o#entado el desarrollo de ciertostipos de transductores% capaces de reali*ar estas

trans&or#aciones de ener!"a% $a que los podre#os encontraractual#ente en nu#erosos aparatos que usare#os en la vidacotidiana/ telé&onos% #icr+&onos% paneles solares% estacionese+licas0

TIPOS DE TRANSDUCTORES:

Se!n la #a!nitud &"sica a #edir% podre#os reali*ar unaclasi2caci+n de los transductores #)s utili*ados actual#ente'Atendiendo a esto% tendre#os los si!uientes tipos de

transductores/De Desplaa!iento

De Presión

De Te!peratura

De Posición

De Velocidad


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en un cierto tie#po% o el calcular el tie#po necesario paraque uno de sus puntos recorra un deter#inado espacio'Entonces% si #edi#os este par)#etro in situ% co#n#ente ladetectare#os #ediante #ecanis#os electro#a!néticos en

los que un ca#io en el .u4o #a!nético induce una &uer*aelectro#otri* 8fem9 en un conductor 8un devanado9%atendiendo a la Le$ de :arada$/ La fem inducida es i!ual alproducto del n#ero de vueltas en el devanado $ el ca#iode .u4o #a!nético en la unidad de tie#po/

El ca#io de .u4o viene dado por el #ovi#iento relativo

entre el devanado $ un i#)n per#anente' El devanado puedeser un/Ele!ento )*o5 con el i#)n #oviéndose a6ial#entealrededor de élEle!ento !ó+il5 con el i#)n situado de &or#a estacionariaLa velocidad lineal puede #edirse deter#inando la velocidadde rotaci+n $ deter#inando lue!o la velocidad lineal

translacional% asada en el conoci#iento del radio deldispositivo sensor' (odre#os calcularla de la si!uiente#anera/

c =n · r Donde c ; velocidad linealn ; velocidad de rotaci+n% e6presado en revoluciones porse!undo 8r%

que est)n unidos al cuerpo en #ovi#iento% o puedenpresionar sore un #edio continuo% co#o cale% papel% te6tilo .e4es de acero $ dar as" una salida indicativa de lavelocidad a la que se #ueve el #aterial'

Aceleró!etros:?o$ en d"a son #u$ co#unes utili*ar transductores deaceleraci+n% deno#inados aceler+#etros% $a que laaceleraci+n es la variaci+n de la velocidad en el tie#po% la

velocidad puede ser deter#inada inte!rando la salida de unaceler+#etro' En #uc-as aplicaciones con aceler+#etros% se


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@


a,aden circuitos inte!radores al circuito acondicionador de lase,al para poder !enerar tanto la aceleraci+n co#o lavelocidad del cuerpo en #ovi#iento'

Sensores de +elocidad re!otos:Se pueden dise,ar ele#entos sensores de velocidad re#otosasados en el e&ecto Doppler% e&ecto producido co#o elca#io de &recuencia aparente en un tren de onda deido al

#ovi#iento relativo entre la &uente del tren de onda $ eloservador'

E,ecto Doppler:Este e&ecto es la e6plicaci+n en el ca#io de &recuencia delsonido e#itido por un ve-"culo que se #ueve pri#ero

acerc)ndose al oservador $ lue!o ale4)ndose% deno#inadoscorri#ientos Doppler% que son despla*a#ientos en las l"neas

espectrales de la lu* e#itida 8corri#ientos del ro4o%corri#iento del a*ul9 es de donde la lu* se oserva'El corri#iento de la &recuencia en la se,al de radiotrans#itida 8o transpuesta co-erente#ente con ondas deradio e#itidas en tierra9 por ve-"culos se utili*a paradeter#inar la velocidad del ve-"culo 8$ su posici+n% porinte!raci+n9' En la #a$or"a de los sensores de velocidad por

e&ecto Doppler% la #edici+n de la velocidad del o4eto sedeter#ina a partir del corri#iento en &recuencia de lasse,ales directa trans#itida $ re.e4ada por dic-o cuerpo%situ)ndose el oservador 4unto a los instru#entos derecepci+n $ trans#isi+n'En el #étodo de onda re.e4ada% la &recuencia de la ondadevuelta por el o4eto que via4a a velocidad v es i!ual 8f ± fd9

donde f es la &recuencia de la onda trans#itida 8$ la de lare.e4ada si el o4eto estuviera in#+vil9 $ fd es el corri#iento

en &recuencia deido al e&ecto Doppler% con una polaridaddada por la direcci+n del #ovi#iento del o4eto% v lavelocidad relativa del e#isor &rente al recepto $ la lon!itudde onda l por tanto/

fd = 2v’/ λCuando la onda re.e4ada se co#para con la onda trans#itidapuede calcularse la velocidad del o4eto' Cuando la ondare.e4ada se superpone con la onda trans#itida% el e&ecto de

corri#iento Doppler puede ser re!istrado directa#ente'

Se pueden usar lon!itudes de onda en varias )reas delespectro electro#a!nético' Co#o e4e#plo tene#os


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radio&recuencias usadas en onda continua 8C9 o pulsante8radares Doppler pulsantes co#o los usados en control develocidad de ve-"culos9 $ +ptica con &recuencias usadas enC o l)seres pulsantes 8veloc"#etros por l)seres Doppler9'

-( Detectores de +elocidad Vertical:Usados en ve-"culos aéreos% $ se desarrollan di&erenciando lasalida de un transductor de presi+naltitud 8o radar alt"#etro9

dado que la velocidad vertical es el ca#io de altitud en launidad de tie#po'

C( Detectores de +elocidad an.ularSon lla#ados d"na#os taco#étricos son usados en #uc-asaplicaciones'

Se pueden di&erenciar #ediante #étodos por contactos o sincontactos% en a#os casos se utili*an para deter#inar la

velocidad de rotaci+n de un e4e o de cualquier otro siste#arotatorio'

Tacó!etro:Se trata de un transductor de reali#entaci+nelectro#a!nética que entre!a una se,al an)lo!a de volta4eproporcional a la velocidad de rotaci+n'

A 2n de que las se,ales eléctricas anal+!icas otenidas enlas salidas de los transductores puedan ser utili*adascorrecta#ente% es necesario e#plear ta#ién% tal $ co#o

co#enté antes% siste#as de inter&aces eléctricas% los cu)lesse deno#inan acondicionadores de se,al

/$% DISE0O 1 OPERATIVA:2 Transductores de +elocidad lineal electro!a.n3ticos:En su &or#a #)s si#ple% este tipo de transductores consiste

en un devanado #ontado en una carcasa de acero pulido $un ncleo coa6ial cil"ndrico con i#)n per#anente unido a un

e4e con un tope en!ar*ado% tal $ co#o se indica en la 2!ura'El ncleo se #ueve dentro del devanado% con el #ovi#iento

del o4eto al que se -a unido el e6tre#o del e4e% produciendouna salida en el devanado% proporcional a la velocidad/


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Figura 1: Transductor de velocidad lineal por acoplo de ejecon devanado único.

Otro dise,o de transductor de velocidad lineal es el indicado

en la si!uiente 2!ura% que di2ere en que contiene dosdevanados' Los arrolla#ientos est)n conectados en

contra&ase en una disposici+n serie opuesta' Las tensiones sesu#an de #anera que la tensi+n total inducida es

proporcional a la velocidad del ncleo/

Figura 2: Transductor de velocidad lineal electromagnéticode devanado dual (Cortesía de c!aevit" #ngineering.$

Otros dise,os di&erentes son/

El de de+anado )*o% un i#)n per#anente se soporta entre dos

#uelles' En los e6tre#os del i#)n cil"ndrico unos aros dealeaci+n oropaladio #ini#i*an la &ricci+n% #oviéndose dentro


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de unos casquillos de acero cro#oplateado pulido' Unos retenesen!ar*ados sellan los e6tre#os del #onta4e' El transductorco#pleto se #onta sore el o4eto cu$a velocidad oscilantequiere #edirse' Cuando la &recuencia de este #ovi#iento

e6cede de la &recuencia natural del siste#a suspendido 8delorden de 1B ?*9 el i#)n per#anece invariante en una posici+ndeter#inada' El devanado 24ado dentro de la carcasa deltransductor% se #ueve relativa#ente al i#)n% a-oraestacionario% con el #ovi#iento del o4eto a #edir' Elconsi!uiente ca#io de .u4o resultante provoca una tensi+n de

salida en el devanado' La salida es proporcional a la velocidad8véase la 2!ura 79

El de de+anado !ó+il% que pivota sore unos co4inetes dentrodel con4unto del transductor' El devanado se #ueve dentro deun ca#po #a!nético estalecido por los polos de un i#)nper#anente 24o% $ el ca#io de .u4o resultante provoca unasalida proporcional a la velocidad/

Figura %: Transductor de velocidad lineal electromagnético(Cortesía de C#C &ivision 'ell and )o*ell Co.$

Co#o los =rodillos de #edida> usan rodillos o discos% cu$o radioes conocido% unido a tac+#etros de diversos dise,os' El dise,ode tac+#etros se descrie a continuaci+n'

G Transductores de sensores re!otos de +elocidad lineal:Ser)n los de e&ecto Doppler% radares Doppler $ lasers Dopplers%los cuales no los descriiré por su co#ple4idad adicional% aunquelos no#raré en varias situaciones'

G 4eneradores taco!3tricos electro!a.n3ticos: Se pueden

usar tres tipos de !eneradores eléctricos co#o tac+#etros% Loscuales !enerar)n una tensi+n de salida% $ en el caso de los


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Figura ,: -rincipio operativo de tacmetro electromagnético consalida por frecuencia (a$ diente único/ (0$ diente continuo

Un n#ero elevado de dientes en el rotor produce #)s pulsospor unidad de tie#po 8#)s pulsos por revoluci+n9 co#o seilustra en la si!uiente 2!ura' Los dientes continuos ta#ién sonusados con &recuencia' Otros rotores inclu$en la &or#a de cru*de #alta' Con una e6tensi+n #enor% si ien no presenta lase6i!encias de orientaci+n del tipo en cincel% orientaci+n que-ace el a4uste de -uel!o #)s di&"cil' En la 2!ura si!uiente se#uestran al!unas con2!uraciones t"picas $ las &or#as de ondaproducidas por ella' (uede oservarse que los dientes de

en!rana4e pueden ser #ecani*ados 8en!rana4es de diente 2no9para que la se,al de salida se acerque a una senoide' Esto es

deseale cuando se precisa una se,al de &recuencia pura en elsiste#a'

Figura : Formas de onda producidas por varias conguracionesde rotor: (a$ engranaje de dientes 0astos/ (0$ engranaje de

dientes nos/ (c$ cru" de 3alta/ (d$ leva especial. (Cortesía de

#lectro Co.$El devanado electro#a!nético dee estar instalado de #aneraque no e6ista nin!una arrera #a!nética entre el polo $ el rotor'Lo #e4or es instalarlo de #anera que no e6ista nin!n tipo dearrera entre a#os' Si el con4unto rotor dee ser aislado del#edio a#iente% el #onta4e del devanado $ los accesorios de#onta4e pueden !aranti*ar dic-o aisla#iento' Si an serequiriera una arrera% el ca#ino #a!nético del polo podr"a sere6tendido #ontando una patilla que atravesara la arrera 8no

#a!nética9 $ presionando el polo contra la cara lateral de dic-apatilla' El sensor dee estar posicionando de #anera que la


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pie*a del polo #a!nético esté lo #)s cerca posile del dientedel rotor% sin causar contacto &"sico% inclu$endo los e&ectosdeidos a la e6pansi+n tér#ica $ a la ru!osidad de la super2ciedel diente' La a#plitud del pulso de salida cae &uerte#ente con

los au#entos de distancia 8co#o se #uestra en la si!uiente2!ura 9% pues que la salida es inversa#ente proporcional alcuadrado de dic-a distancia'

Figura 4: 5ariacin de la amplitud de salida con la separacin

entre la pie"a polar 6 el diente del rotor.La con2!uraci+n est)ndar de la pie*a polar es cil"ndrica' Sine#ar!o% dependiendo de la aplicaci+n $ de la con2!uraci+n de

dientes pueden usarse otras &or#as' :or#as t"picas son lascon2!uraciones c+nicas $ de cincel 8véase la 2!ura F9'

"a punta del cincel7 per#ite conse!uir una elevada salida $una #e4or resoluci+n en con4unci+n con unos en!rana4es dedientes 2nos' La punta c+nica% es si#ilar% aunque con una

e6tensi+n #enor% $ no presenta las e6i!encias de orientaci+n deltipo en cincel% orientaci+n que -ace el a4uste de -uel!o #)sdi&"cil' "a punta cil8ndrica7 presenta una #a$or super2cie deapro6i#aci+n $ proporciona una salida #)s estale'

Figura 4: Conguraciones de pie"a polar: (a$ pie"a polar

cilíndrica/ (0$ pie"a polar cnica/ (c$ pie"a polar en cincel(cortesía de #lectro Co$.


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CONVERSIÓN EN SE0A"ES DI4ITA"ES

Al!unos sensores de velocidad an!ular utili*an dos devanados

sensores para otener se,ales procedentes de puntos di&erentes8cuando los dos devanados se #ontan en K9 para otener unadi&erencia de &ase que puede ser convertida en indicaci+n de ladirecci+n de rotaci+n por #edio de un circuito di!ital'Deter#inados con4untos de devanado se dise,an con circuitosacondicionadores de se,al inte!rados que convierten los pulsosde salida del devanado% de diversas &or#as% en pulsos de &or#acuadrada apropiados a las entradas de los siste#as di!itales'Los con4untos de devanado est)n equipados con tres cone6iones

de inter&ace% un Jer#inal de e6citaci+n 8nor#al#ente entre B $1B V9% un Jer#inal co#n para la e6citaci+n $ un Jer#inal de

salida que proporcional los pulsos de onda cuadrada 8de a '3indicando un => $ de 7 a 1@ V indicando un =1>9'


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Se usan en siste#as de sensores de velocidad an!ular% donde lacae*a sensora% que puede ser 24a o .otante% contiene una&uente de lu* que per#ite un -a* coli#ado -acia un )reare.ectante del o4eto $ un sensor de lu* detecta un pulso de lu*

cuando el -a* es re.e4ado' Al!unos ele#entos de rotaci+n sone#inente#ente re.e6ivos% dispuestos si#étrica#ente 8losradios de una rueda9' Muc-os o4etos rotantes requieren que selos acople cintas re.e6ivas 8una o varias si se quiere un e&ecto#ultiplicativo9 La salida del sensor de lu* es% as" un conta4e derevoluciones del o4eto% que pueden ser &)cil#ente convertidos

en r


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Figura : istema tacmetro fotoeléctrico port;til

&3todo con uso de estro;oscopios:

Es otro #étodo #u$ usado en #edida de velocidad an!ular% que

inclu$e al oservador en el ucle de #edida' Los estrooscopiosutili*an l)#paras de !as de c)todo &r"o co#o los de lu* .as- dealta intensidad' Se ilu#ina con la l)#para al o4eto rotante $ se

a4usta #anual#ente la &recuencia de .as- por #inuto% -astaque la posici+n del ele#ento rotante per#anece estacionaria'

Esto ocurre cuanto se e#ite un .as- por cada ciclo de#ovi#iento% es decir en una revoluci+n co#pleta 8elestrooscopio puede utili*arse para detectar #ovi#ientos norotacionales9' El n#ero de .as- por #inuto se puede leer

directa#ente en el visuali*ador o una indicaci+n calirada deque disponen'


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TRANSDUCTORES INDUCTIVOS CON CONTACTO

#n estos transductores las variaciones de la posicin 9ue se9uiere medir se convierte en una variacin de inductancia?generalmente a través de variaciones en el circuito magnéticode la 0o0ina. #stos transductores se utili"an en @pus!8pullA paraconseguir una linealidad suciente.


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TRANSDUCTOR INDUCTIVO SIN CONTACTO

#stos transductores se 0asan en el mismo principio 9ue losinductivos

vistos anteriormente? esto es? en una variacin de lascaracterísticas del circuito magnético causada por el

movimiento del o0jeto cu6a posicin se 9uiere medir. Badiferencia radica en 9ue a!ora los cam0ios en el circuito

magnético son causados directamente por el o0jeto? no por unnúcleo mvil.

0viamente? al ser las características magnéticas del o0jetodesconocidas a priori? estos sensores son mu6 poco precisos? 6 su utili"acin industrial se limita a detectores de proximidad.


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TRANSDUCTORES INDUCTIVOS POR VARIACIÓN DE

ACOP"O

#stos transductores son mu6 parecidos en cuanto a suconstruccin a los inductivos en pus!8pull? 6a 9ue constan de unnúcleo mvil sometido al despla"amiento 9ue se 9uiere medir? 6 unos devanados alrededor de éste. Ba diferencia radica en 9ue?en este caso? las variaciones de la posicin 9ue se 9uiere medir se traducen en una variacin del coeciente de acoplo (oinduccin mutua$ entre los devanados? de forma 9ue? eDcitandoel devanado primario con una tensin alterna de amplitudconstante? se o0tiene una tensin cu6a amplitud es funcin dela posicin 9ue se 9uiere medir en el devanado secundario. Baimplementacin !a0itual? con un devanado de eDcitacin 6 dosde salida conectados en contrafase? es el transformador

diferencial de variación lineal, o LV! " #Linear Variablei$erential !ransformer%&


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TRANSDUCTORES CAPACITIVOS

#n estos transductores las variaciones de la posicin 9ue se9uiere medir? se convierten en variaciones de la capacidad de un condensador ? generalmente plano o cilíndrico.

Tendremos diferentes tipos de transductores capacitivos segúnsea la super'cie? la permitividad (o constante dieléctrica$ del

dieléctrico? o la distacia entre las armaduras del condensador lo 9ue varíe con la posicin a medir.


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=INA"ES DE CARRERA &EC>NICOS

on interruptores 9ue sirven para determinar la posicin de uno0jeto o de una pie"a mvil: Cuando el o0jeto o la pie"a alcan"ael eDtremo de sucarrera? actúan so0re una palanca? ém0olo o

varilla? produciendo elcam0io de unos pe9ueEos contactos.Bos nales de carrera tienen dos partes diferenciadas: la ca0e"a 6 el cuerpo. Ba ca0e"a es el dispositivo captador 6 el cuerpo esel 0lo9ue 9uecontiene los contactos eléctricos o una v;lvulaneum;tica'!idr;ulica.

DETECTORES DE PRO?I&IDAD

e denominan así a cual9uier dispositivo eléctrico?electromec;nico o electrnico 9ue reaccione de forma

aprovec!a0le ante un o0jeto situado en un entorno denido delmismo. #l entorno de reaccindene el campo de sensi0ilidad.


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-ara 9ue la reaccin se produ"ca? slo se precisa la proDimidadfísicaentre el o0jeto 6 el detector sin 9ue !a6a ningún tipo decontacto mec;nico entre ellos.

#n funcin del sistema detector se clasican en:

Detectores inducti+os sensi;les a !ateriales,erro!a.n3ticos

lo reaccionan ante la presencia de materialesferromagnéticos. tili"an un campo magnético est;tico(producido por el propio detector$ 9ue se modica por la presencia del material ferromagnético. #st;nm;s prDimos a los

nales de carrera pues no precisan alimentacin eléctrica. eutili"an cuando sere9uieren muc!as actuaciones o cuando las

condiciones am0ientales como polvo? !umedad? etc?puedendicultar el funcionamiento de contactos mec;nicos. Tienen elinconveniente de no poderseutili"ar en lugares donde se prevea9ue pueden aparecer campos magnéticos o la eDistenciademateriales o virutas de tipo ferromagnético. on econmicos 6 sencillos de construir. e puedenclasicar:

De contacto la!inar

Constan de dos imanes permanentes 6 un relé laminar

normalmente a0ierto entre los imanes gracias al e9uili0rio decampo magnético so0re él. Gl introducir en el campo magnéticoun o0jeto ferromagnético?el campo se dese9uili0ra 6 el contactodel relé se cierra.

De ;o;ina

tili"an la variacin de un campo magnético est;tico (como elcaso anterior$ para inducir en una 0o0ina (situada en la posicin9ue ocupa0a el contacto laminar$ un impulso de tensin. Ho se

pueden utili"ardonde eDistan virutas de tipo ferromagnético.on sencillos? f;ciles de aplicar 6 no necesitan al igual 9uelosanteriores de tensin auDiliar.

DETECTORES DE PRO?I&IDAD ÓPTICOS

Bos !a6 para distancias grandes 6 pe9ueEas? por eso a vecesslo se les denomina detectores pticos.

Tam0ién se les suele llamar fotocélulas. tili"an medios pticos 6 electrnicos para detectar o0jetos.


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-ara ello utili"an un lu" roja (visi0le$ o infrarroja (invisi0le$.Como fuente de lu" se utili"an diodos otransistores emisores delu".

Bos detectores de lu" roja se ajustan mejor 9ue los de lu"

infrarroja. Ba lu" infrarroja es menossuscepti0le a lasinterferencias producidas por la lu" am0iental.

#stos detectores constan de un emisor 6 un receptor. Badeteccin se reali"a por reIeDin? al devolverel o0jeto la lu" reci0ida? o por 0arrera.

-ueden detectar cual9uier tipo de o0jetos o productos: slidos o

lí9uidos.

Bos tipos de montaje son: 0arrera? reIeD 6 reIeDin directae pueden clasicar en:

8 &irectos: el receptor 6 el emisor est;n en elmismo cuerpo(reIeD 6 reIeDin directa$.

8 Con 0ras pticas acopladas: receptor 6 emisorno est;n en elmismo cuerpo (0arrera$.

#n am0os casos la lu" es modulada por infrarrojos 6 portanto

insensi0le a luces par;sitas.Ba distancia de deteccin en el caso de los de reIeDin puedevariar según el calor 6 el grado de 0rillo de producto.

-ueden reempla"ar a los capacitivos e inductivos cuando sedeseen distancias de deteccin ma6ores.

-ara distancias grandes se utili"an las llamadas célulasfotoeléctricas o fotocélulas? 9ue tam0ién funcionan por infrarrojos 6 permiten detectar todo tipo de o0jetos? productos

mviles o personas: pasode ve!ículos? pa9uetes? cajas? 0otellas? pie"as de ma9uinarias? nivel de lí9uidos 6 slidos? paso

omovimiento de personas? etc.

Bas fotocélulas pueden ser:

8 arrera: la célula est; compuesta por dos mdulos (emisor 6 receptor$ colocadas uno frente a otro para detectar el paso del

o0jeto o persona. Ba distancia m;Dima a detectar es de 2


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entre ella 6 el receptor. Ba distancia m;Dima alcan"ada es de 1<m.

8 -roDimidad: Ba célula lleva el transmisor 6 receptor en elmismo mdulo 6 perci0e el paso de cual9uier o0jeto prDimo a

ella.

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