Tres tecnologías de sensores dominan la medición de distancia sin contacto: el tiempo de vuelo con luz láser infrarroja, el ultrasonido con sonido y el radar mmWave con ondas de radio de 24 GHz a 80 GHz. A menudo se las compara entre sí como si una fuera simplemente mejor, pero cada una falla en un entorno distinto.
Elegir correctamente consiste, en gran medida, en identificar a qué entorno se enfrentará realmente su producto y qué modo de falla resulta inaceptable.
El resumen de cada tecnología en una línea
El tiempo de vuelo (ToF) mide el tiempo de ida y vuelta de la luz infrarroja emitida contra un fotodiodo, o el desfase de un haz modulado. Es rápido, con precisión milimétrica y de haz estrecho, pero depende de recibir un reflejo utilizable.
El ultrasonido mide el tiempo de ida y vuelta de un pulso de sonido. Funciona sobre casi cualquier material, incluidas las superficies transparentes y oscuras, pero la velocidad del sonido cambia con la temperatura y el haz es ancho.
El radar mmWave transmite una señal de radio modulada en frecuencia y calcula la distancia a partir de la frecuencia de batido. Ve a través del polvo, el humo, la niebla y el plástico, y puede detectar a una persona inmóvil por su movimiento respiratorio, no solo por movimiento.
Piezas representativas: módulos láser TOF050C/200C/400C laser modules para medición óptica, HC-SR04 ultrasonic module para una solución acústica de bajo costo, y LD2410B 24GHz radar module para detección de presencia que debe resistir polvo y oscuridad.
Comparación lado a lado
| Factor | ToF (láser infrarrojo) | Ultrasonido | Radar mmWave |
|---|---|---|---|
| Alcance típico | Desde unos pocos centímetros hasta unos 4 m en módulos; más con un módulo láser dedicado | De 2 cm a unos 4 m en módulos comunes; más en unidades industriales | Hasta unos 8-10 m en módulos de presencia; mucho más en radar automotriz |
| Precisión | Nivel milimétrico | Nivel centimétrico, dependiente de la temperatura | Nivel centimétrico; buena para presencia, más gruesa para precisión |
| Haz | Estrecho, de unos pocos grados | Ancho, normalmente de 30-60 grados | Ancho, configurable según el diseño de la antena |
| Material del objetivo | La mayoría de las superficies opacas; deficiente en objetivos negros, brillantes o transparentes | Casi cualquier material, incluidos el vidrio y los líquidos | Rebota en la mayoría de los materiales; el metal y el agua muy reflectantes exigen cuidado |
| Luz ambiente | Afectado por la luz solar intensa o por fuentes IR | No le afecta | No le afecta |
| Temperatura y humedad | En gran medida no le afectan | Le afectan directamente; la velocidad del sonido cambia con la temperatura | No le afectan la temperatura ni la humedad |
| Viento, polvo, humo | El polvo puede bloquear la trayectoria óptica | El movimiento del aire y el polvo degradan la lectura | Atraviesa razonablemente bien el polvo, el humo, la niebla y la lluvia |
| Detecta objetivos inmóviles | Sí | Sí, pero necesita un eco de retorno | Sí; puede detectar micromovimientos a nivel de la respiración |
| A través de una cubierta de plástico o vidrio | Requiere una ventana transparente a los IR | Requiere una abertura acústica | Funciona a través del plástico y de muchas cubiertas no metálicas |
| Interferencia entre unidades | Diafonía óptica si se apuntan entre sí | Las unidades pueden oírse entre sí; requiere secuenciación | Se necesita planificación de frecuencias en instalaciones densas |
| Consumo de corriente típico | Bajo | De bajo a moderado | De moderado a alto, sobre todo el radar continuo |
| Esfuerzo de integración | I2C o UART, con controlador suministrado por el proveedor | Trig y echo, o UART en unidades industriales | UART, más la configuración de puertas y sensibilidad |
| Costo relativo | De bajo a moderado | El más bajo | De moderado al más alto |
Dónde falla cada tecnología
Tiempo de vuelo: cuando no hay un reflejo utilizable
Un sensor ToF necesita que la luz regrese. Las superficies muy oscuras y mates absorben el haz. El metal pulido puede reflejarlo lejos del receptor. Un panel de vidrio o de plástico transparente delante del sensor puede dejar pasar la luz en línea recta en lugar de devolverla. La luz solar intensa u otra fuente infrarroja eleva el nivel de ruido hasta que la lectura se vuelve poco fiable.
Las soluciones habituales son ópticas: reducir el campo de visión, añadir un filtro de paso de banda ajustado a la longitud de onda del emisor, o cubrir el sensor con una ventana transparente a los IR que tenga una transmisión definida en esa longitud de onda y bloquee la luz visible.
Ultrasonido: cuando cambian la temperatura o la geometría
La velocidad del sonido aumenta con la temperatura, lo que añade aproximadamente 0.6 m/s por grado Celsius. Sin compensación, un cambio de 20 °C desplaza la lectura varios puntos porcentuales en un tramo de dos metros. La compensación de temperatura está disponible en los mejores módulos y puede implementarse en el firmware, pero se olvida con frecuencia.
El haz es ancho y el sensor tiene una distancia mínima de cegado, por lo que los objetivos cercanos y los recintos estrechos resultan difíciles. Los materiales blandos y porosos, como la espuma y el tejido, absorben el pulso. En instalaciones con varios sensores ultrasónicos, las unidades deben dispararse de forma secuencial para no oírse entre sí.
Radar mmWave: cuando la geometría o el presupuesto de energía no son los adecuados
El radar destaca donde el polvo, la humedad, la oscuridad o un recinto sellado vencerían a las otras dos tecnologías. Sus dificultades son distintas. Las superficies metálicas y las grandes masas de agua pueden producir reflejos muy intensos y trayectos múltiples, generando objetivos fantasma. Los objetos reflectantes de gran tamaño también pueden producir detecciones por lóbulos laterales que aparecen como objetos donde no hay ninguno.
La configuración importa más que con las otras tecnologías: las puertas de detección, los umbrales de sensibilidad y el tiempo de permanencia deben ajustarse a la aplicación. Además, los módulos de radar consumen más corriente que las alternativas, algo que importa en un producto alimentado por batería. También se aplica la normativa de radio: las bandas de frecuencia y los niveles de potencia permitidos varían según el país.
Cómo elegir según la aplicación
| Aplicación | Normalmente la mejor opción | Por qué |
|---|---|---|
| Evitación de obstáculos en robots | ToF o ultrasonido | Actualización rápida e interfaz sencilla; ultrasonido si los objetivos son oscuros o transparentes |
| Nivel de líquido en un depósito | Ultrasonido o radar | Sin contacto e indiferente al material; radar si hay vapores o espuma |
| Detección de presencia en una sala | Radar mmWave | Detecta a una persona inmóvil por micromovimiento y funciona tras una cubierta de plástico |
| Conteo de personas en una puerta | Radar mmWave o ToF | Radar para detectar la dirección; ToF donde el trayecto está despejado |
| Detección de colisiones en una máquina en movimiento | Radar mmWave o ToF | El radar resiste el polvo y la lluvia; el ToF es más rápido y preciso en condiciones limpias |
| Posicionamiento de piezas en una línea de montaje | ToF o módulo láser | La precisión milimétrica es importante y el entorno está controlado |
| Nivel o posición a través de una cubierta sellada | Radar mmWave | Solo el radar transmite de forma fiable a través de la cubierta |
| Gestos o interacción del usuario a corta distancia | ToF | El haz estrecho y las múltiples zonas se adaptan a la interacción cercana |
| Aviso de ángulo muerto en automóvil o motocicleta | Radar mmWave | Largo alcance, independiente del clima y ya disponible en grados automotrices |
Detalles de integración que deciden el resultado
- Ubicación mecánica. El campo de visión del sensor no debe quedar bloqueado por un bisel ni por un cable. Un saliente de 3 mm en la trayectoria del haz basta para crear un falso objetivo cercano.
- Distancia mínima. Tanto los sensores ToF como los ultrasónicos tienen un límite cercano por debajo del cual no pueden medir. Verifíquelo con su diseño mecánico, no solo con el alcance máximo.
- Tasa de actualización. Un módulo de radar configurado para una detección de presencia estable puede actualizarse despacio. Si su lazo de control necesita 50 Hz, compruebe que el sensor pueda entregarlos.
- Calibración. La deriva de offset y de ganancia varía de una unidad a otra. Para trabajos de precisión, prevea un paso de calibración en producción.
- Gestión de falsos positivos. Cada una de estas tecnologías puede producir alguna lectura espuria ocasional. Decida en el firmware cuántas lecturas consecutivas constituyen un evento real.
Errores frecuentes de selección
- Elegir ToF para un objetivo negro, y luego descubrir que la señal de retorno es demasiado débil en el alcance requerido.
- Elegir ultrasonido para exteriores sin compensación de temperatura ni un plan frente al viento y la lluvia.
- Elegir radar para precisión milimétrica, y después intentar ajustar la sensibilidad para recuperar una precisión para la que la tecnología nunca fue especificada.
- Ignorar el material de la cubierta, que suele ser la causa principal de que un sensor funcione en el banco de pruebas y falle dentro del recinto.
- No verificar la normativa de radio del mercado de destino cuando se utiliza mmWave.
Cómo podemos ayudarle
Indíquenos el rango de medición, el material del objetivo, el entorno (interior, exterior, polvo, lluvia, luz solar) y la tasa de actualización requerida. Lo acotaremos a una tecnología y a los módulos concretos que podemos suministrarle.
Si ya tiene un número de pieza de sensor que va a salir de producción, envíelo junto con los detalles de la aplicación. Sustituir un sensor de distancia no es solo una cuestión de alcance, y reproducir el comportamiento frente a fallas en su entorno importa más que igualar la hoja de datos.
