Alcance do Sensor de Proximidade Óptico

Estima o alcance de detecção do sensor de proximidade óptico a partir da potência do emissor, sensibilidade do detector e refletividade do alvo.

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Fórmula

D_rel = √(P_e × R_d × (R_t/100)) / SF [dimensionless relative factor]

P_e — Emitter power (mW)

R_d — Detector responsivity (A/W)

R_t — Target reflectivity (0–100%) (%)

SF — Safety factor (≥1)

Como Funciona

Os sensores ópticos de proximidade emitem luz (normalmente infravermelha a 850—950 nm) de um emissor de LED e detectam luz refletida ou transmitida com um detector de fotodiodo ou fototransistor. A potência óptica recebida segue uma lei do inverso do quadrado: P_recebido e P_emissor × R_alvo/d², onde d é a distância até o alvo e R_alvo é a refletividade (0—1). Para um sensor reflexivo difuso, a detecção ocorre quando a potência recebida excede o limite do detector: P_Received > P_threshold. A faixa de detecção é, portanto, proporcional a √ (P_emissor × R_det × R_target), onde R_det é a responsividade do detector (A/W). A estimativa prática de alcance inclui um fator de segurança (normalmente 1,5—2 ×) para contabilizar a sujeira da lente, o envelhecimento do LED (−30— 50% ao longo da vida útil) e as variações da superfície alvo. Os sensores de supressão de fundo usam triangulação para definir uma janela de detecção fixa, imune às variações de cor/refletividade do alvo.

Exemplo Resolvido

Problema: Um LED infravermelho emite 15 mW. O detector tem responsividade de 0,65 A/W. O alvo é papel branco (90% de refletividade). Fator de segurança = 2. Estime a faixa de detecção.

Solução:

1. Intervalo normalizado = √ (P_e × R_d × R_t) = √ (15 × 0,65 × 0,9) = √ (8,775) = 2,96 cm

2. Alcance máximo de detecção = 2,96/2 = 1,48 cm ≈ 1,5 cm

3. Se o alvo for borracha preta (5% de refletividade):

Normalizado = √ (15 × 0,65 × 0,05) = √ (0,4875) = 0,70 cm

Alcance máximo = 0,70/2 = 0,35 cm

Resultado: papel branco detectado em ~ 1,5 cm; borracha preta em ~ 0,35 cm — uma redução de alcance de 4 vezes.

Dicas Práticas

✓Use um emissor pulsado (modulado) com um detector síncrono para obter uma rejeição de luz ambiente de 100 a 1000 vezes melhor em comparação com um sistema com polarização DC.
✓Para medição precisa de distância em vez de simples detecção de presença, use um sensor de triangulação (por exemplo, Sharp GP2Y0A02) ou sensor de tempo de voo (por exemplo, VL53L1X) em vez de um sensor reflexivo simples.
✓Monte o emissor e o detector em um pequeno ângulo (5—15°) para que a proximidade reflexiva melhore a sensibilidade e reduza o acoplamento cruzado direto em curto alcance.

Erros Comuns

✗Supondo que a faixa nominal máxima seja alcançável com todas as metas, as especificações de alcance do fabricante são para um refletor branco padrão (90% de refletividade); alvos escuros ou absorventes reduzem significativamente o alcance.
✗Ignorando o envelhecimento do LED — a intensidade radiante do LED infravermelho cai de 30 a 50% durante a vida útil nominal; o fator de segurança deve levar em conta o desempenho no final da vida útil, não apenas a saída inicial.
✗Ignorando a interferência da luz ambiente — a luz incandescente brilhante ou a luz solar podem saturar o detector, causando detecções perdidas; escolha sensores com filtros ópticos e modulação pulsada para rejeitar a luz ambiente DC.

Perguntas Frequentes

Qual é a diferença entre sensores ópticos difusos, retrorrefletivos e de feixe direto?

Os sensores difusos têm emissor e detector no mesmo compartimento e detectam a luz refletida do alvo — o alcance depende da refletividade do alvo. Sensores retrorrefletivos detectam a luz refletida por um refletor de cubo de canto — maior alcance e independente do alvo. Os sensores de feixe direto colocam o emissor e o detector opostos um ao outro; a detecção é por interrupção do feixe — maior alcance e mais confiável, mas requer fiação em ambos os lados.

Como a cor alvo afeta o alcance de detecção?

A refletividade varia muito: superfícies brancas foscas 80— 95%, plástico cinza 40— 60%, alumínio puro 65— 75% (especular), borracha preta 3— 8%. Como o alcance é dimensionado como √ (refletividade), um alvo que é 10 vezes menos refletivo reduz o alcance de detecção em √10 ≈ 3,2 ×. Sempre verifique com o material e a cor reais do alvo.

Posso usar um sensor óptico sob a luz solar externa?

Sim, mas requer emissor modulado e filtro óptico passa-banda compatível com o comprimento de onda do emissor (por exemplo, 850 nm, 940 nm). O detector síncrono rejeita a luz ambiente DC enquanto passa o sinal modulado. Verifique a especificação de imunidade à luz ambiente do fabricante — os sensores industriais normalmente são avaliados em 10.000 lux ambiente.

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