
Sensor Ultrasónico
El sensor ultrasónico es un dispositivo que utiliza ondas sonoras de alta frecuencia, inaudibles para el oído humano, para detectar la presencia, distancia o velocidad de objetos.
Su principio de funcionamiento se basa en la emisión y recepción de estas ondas, aprovechando el fenómeno de la reflexión (eco).
Son ampliamente utilizados en diversas industrias debido a su versatilidad, robustez y capacidad para operar en entornos adversos con alta precisión.
La capacidad de estos sensores para detectar objetos y medir distancias en una amplia variedad de condiciones, así como su resistencia ambiental, los convierten en una opción ideal para aplicaciones exigentes.
El símbolo del sensor ultrasónico es el siguiente:

Contenidos
Funcionamiento del Sensor Ultrasónico
El funcionamiento de un sensor de ultrasonidos se basa en la ecolocalización, similar a la que utilizan los murciélagos. El sensor emite una onda ultrasónica, que se propaga por el medio (generalmente aire). Cuando esta onda encuentra un objeto, se refleja y regresa al sensor.
Midiendo el tiempo que tarda la onda en ir y volver, y conociendo la velocidad del sonido en el medio, se puede calcular la distancia al objeto. La fórmula fundamental es:
Distancia = (Velocidad del sonido × Tiempo de viaje) / 2
donde:
Velocidad del sonido: depende del medio de propagación (en aire es aproximadamente 343 m/s a 20°C y varía con la temperatura y la humedad).
Tiempo de viaje: es el tiempo transcurrido entre la emisión de la onda y la recepción del eco.
Un sensor de ultrasonidos típico consta de los siguientes componentes principales:
● Transductor ultrasónico: es el componente clave que realiza la conversión entre energía eléctrica y energía acústica (ondas ultrasónicas). Generalmente utiliza materiales piezoeléctricos que vibran al aplicarles una tensión eléctrica, generando la onda, y viceversa, generando una tensión eléctrica al recibir la onda reflejada. Está compuesto por:
– Circuito emisor: es el transmisor encargado de generar la señal eléctrica que excita al transductor para emitir la onda ultrasónica.
– Circuito receptor: amplifica y procesa la señal eléctrica proveniente del transductor al recibir el eco. Incluye filtros para eliminar el ruido y circuitos de detección de eco.
● Circuito de control: es el microcontrolador que controla la secuencia de emisión y recepción, mide el tiempo de viaje y calcula la distancia. También se encarga de la comunicación con otros dispositivos.
Salidas del Sensor Ultrasónico
La gran mayoría de los sensores de ultrasonidos que se encuentran en el mercado y que se utilizan en aplicaciones comunes (como robótica, medición de distancias cortas, detección de nivel, etc.) son sensores de reflexión directa que trabajan en modo difuso.
En este tipo de sensores, el emisor y el receptor están ubicados en el mismo dispositivo. La onda sonora parte del dispositivo y, tras chocar con el objeto a medir regresa.

Además, estos sensores ultrasónicos no suelen tener una configuración de salida única; las opciones disponibles dependen del modelo y del fabricante. A continuación, se detallan las opciones más comunes:
Salida a Transistor de los Sensores de Ultrasonidos
Se trata de salidas binarias que utilizan transistores para conmutar la señal. La diferencia principal entre NPN y PNP radica en cómo se conecta la carga al sensor.
En la salida a transistor el sensor proporciona una señal que dependerá de si se detecta un objeto dentro del rango especificado o de si no se detecta nada.
La salida NPN (sinking o sumidero de corriente) está en circuito abierto cuando el sensor no detecta el objeto y proporciona el valor de tierra (0V) cuando el sensor detecta el objeto. La salida PNP (sourcing o fuente de corriente) está en circuito abierto cuando el sensor no detecta el objeto y proporciona el valor de la fuente de alimentación positiva (Vcc) cuando el sensor detecta el objeto.
Las salidas a transistor son de alta velocidad de conmutación y bajo coste, integrándose fácilmente con electrónica digital. Su limitada capacidad de corriente imposibilita que puedan controlar directamente contactores. Se pueden utilizar para controlar relés más pequeños.
Salida a Relé de los Sensores de Ultrasonidos
Las salidas de relé electromagnético controlan cargas de mayor potencia. El sensor activa un relé electromagnético cuando se detecta el objeto. El relé actúa como un interruptor, abriendo o cerrando un circuito independiente.
Pueden disponer de 3 tipos de contactos:
● Contactos normalmente abiertos (NA): los contactos NA, en su estado de reposo, se encuentran abiertos, impidiendo la conexión eléctrica. Sin embargo, al activarse el relé, estos contactos se cierran, estableciendo una conexión que permite el flujo de corriente a través del circuito controlado.

● Contactos normalmente cerrados (NC): en condiciones normales, los contactos NC están cerrados, lo que significa que hay una conexión eléctrica. Al activarse el relé, los contactos NC se abren, interrumpiendo la conexión y deteniendo el paso de corriente a través del circuito.

● Contactos conmutados (NA/NC): al activarse el relé, los contactos NA se cierran, estableciendo una conexión eléctrica, mientras que los contactos NC se abren, interrumpiendo la corriente en otro circuito. Al desactivarse el relé, ocurre el proceso inverso y los contactos vuelven a su estado original.

Aunque las salidas a relé proporcionan aislamiento galvánico entre el circuito del sensor y el circuito de la carga y pueden controlar cargas de CA y CC, tienen baja velocidad de conmutación en comparación con los transistores, además de una vida útil limitada por el desgaste mecánico.
Salida Analógica de los Sensores de Ultrasonidos
La mayoría de sensores ultrasónicos proporcionan una señal continua proporcional a la distancia medida. Los tipos más comunes son:
– Voltaje (0-10V, 1-5V, etc.): la tensión varía linealmente con la distancia.
– Corriente (4-20mA): la corriente varía linealmente con la distancia.
La salida analógica se conecta a una entrada analógica (con ADC o Convertidor Analógico a Digital) de un PLC, un microcontrolador o un sistema de adquisición de datos.
Es fundamental conocer la escala de la señal de salida para interpretar correctamente la lectura. Por ejemplo, 0-10V podría corresponder a 0-1 metro.
Al trabajar con sensores de salida analógica, es importante considerar que las señales de voltaje son más vulnerables al ruido eléctrico en comparación con las señales de corriente, lo que puede afectar la precisión de las mediciones.
Características del Sensor Ultrasónico
A continuación, se presentan los principales parámetros técnicos del sensor ultrasónico:
● Detección sin contacto: no requieren contacto físico con el objeto, evitando el desgaste y los daños.
● Frecuencia de operación: es la frecuencia de la onda ultrasónica emitida, típicamente entre 20 kHz y varios MHz. Frecuencias más altas ofrecen mayor precisión y resolución, pero menor alcance.
● Rango de detección: es la distancia mínima y máxima a la que el sensor puede detectar objetos.
● Ángulo de cono de detección: es el ángulo de dispersión de la onda ultrasónica. Un ángulo más amplio permite detectar objetos en un área mayor, pero puede disminuir la precisión.
● Resolución: es la mínima diferencia de distancia que el sensor puede detectar.
● Tiempo de respuesta: es el tiempo que tarda el sensor en proporcionar una lectura después de la emisión de la onda.
● Zona muerta (blind zone): es la distancia mínima a la que el sensor no puede detectar objetos debido al tiempo que tarda el transductor en conmutar entre la emisión y la recepción.
● Grado de protección (IP): indica el índice de protección IP del sensor contra el polvo y el agua.
Inconvenientes del Sensor Ultrasónico
Para saber si el sensor ultrasónico puede ser adecuado se deben valorar sus limitaciones:
1º) Sensibilidad a las condiciones ambientales: la temperatura, la humedad y las corrientes de aire pueden afectar la velocidad del sonido y, por lo tanto, la precisión de la medición.
2º) Reflexiones múltiples: en entornos complejos, las ondas ultrasónicas pueden rebotar en múltiples superficies, generando ecos falsos y mediciones incorrectas.
3º) Absorción del sonido: materiales blandos o porosos pueden absorber las ondas ultrasónicas, dificultando la detección.
4º) Zona muerta: la presencia de una zona muerta limita la detección a distancias muy cortas.
5º) Ángulo de cono: el ángulo de cono puede generar detecciones no deseadas de objetos cercanos que no son el objetivo.
Aplicaciones del Sensor Ultrasónico
Las aplicaciones típicas del sensor de ultrasonidos son las siguientes:
– Medición de distancia y nivel: en tanques, silos, contenedores, etc.
– Detección de obstáculos: en robots, vehículos autónomos, sistemas de asistencia al aparcamiento, etc.
– Automatización industrial: conteo de objetos, control de presencia/ausencia, posicionamiento, etc.
–Sistemas de seguridad: detección de intrusos.
– Industria automotriz: sensores de aparcamiento, control de crucero adaptativo, etc.
– Robótica: navegación autónoma, evitación de obstáculos, etc.
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