Resolución del sensor confocal: por qué depende del rango de medición
Respuesta directa: en un sensor confocal cromático la resolución es función del rango del modelo, no un valor independiente. El mismo ancho de banda espectral tiene que repartirse sobre todo el recorrido de medición, de modo que un rango mayor implica que cada longitud de onda representa un escalón de altura mayor. Citar una resolución sin el rango al que pertenece no significa nada.
La consecuencia práctica es que el rango se elige a partir de la variación de altura de la pieza más un margen, y la resolución viene después. Elegir un rango amplio por comodidad y esperar resolución fina es pedirle al diseño óptico algo que no puede dar.
El mecanismo, en una frase
El sensor separa la luz blanca en un espectro a lo largo del eje óptico. Cada longitud de onda enfoca a una distancia distinta y solo la que enfoca sobre la superficie vuelve por la apertura. Si el recorrido útil es de 0,1 mm, el espectro disponible se reparte sobre 0,1 mm y cada canal del espectrómetro corresponde a un escalón muy pequeño. Si el recorrido es de 70 mm, el mismo espectro se reparte sobre 70 mm y cada canal corresponde a un escalón mucho mayor. La electrónica puede interpolar entre canales, pero no puede recuperar información que el diseño óptico no separó.
Los diez modelos, con sus cifras
La siguiente tabla reúne modelos publicados de la familia SFS-D. Las columnas de rango, repetibilidad y linealidad son datos de la tabla de parámetros del producto; la última columna es la relación entre repetibilidad y recorrido total, calculada aquí para mostrar la tendencia.
| Modelo | Distancia de referencia | Rango | Recorrido total | Repetibilidad | Error de linealidad |
|---|
| SFS-D108 | 8 mm | ±0,05 mm | 0,1 mm | 3 nm | <±0,03 μm |
| SFS-D410 | 10 mm | ±0,2 mm | 0,4 mm | 12 nm | <±0,08 μm |
| SFS-D606 | 6,5 mm | ±0,3 mm | 0,6 mm | 16 nm | <±0,12 μm |
| SFS-D1220 | 20 mm | ±0,6 mm | 1,2 mm | 30 nm | <±0,24 μm |
| SFS-D2615 | 15 mm | ±1,3 mm | 2,6 mm | 50 nm | <±0,26 μm |
| SFS-D6040 | 40 mm | ±3 mm | 6 mm | 140 nm | <±0,72 μm |
| SFS-D10050 | 50 mm | ±5 mm | 10 mm | 250 nm | <±1 μm |
| SFS-D500100 | 100 mm | ±25 mm | 50 mm | 850 nm | <±5 μm |
| SFS-D700150 | 150 mm | ±35 mm | 70 mm | 1550 nm | <±2 μm |
El recorrido total pasa de 0,1 mm a 70 mm, un factor de 700, y la repetibilidad pasa de 3 nm a 1550 nm, un factor algo superior a 500. Las dos cifras se mueven juntas porque son la misma decisión de diseño vista desde dos lados. Que la repetibilidad crezca algo menos que el rango no contradice la regla: refleja que los modelos de rango largo usan aperturas y ópticas distintas, no solo un espectro más estirado.
Cómo se elige el rango en la práctica
Primero se mide la variación de altura de la pieza en la condición real de producción, no en el plano. Esa variación incluye la tolerancia de la pieza, la repetibilidad del utillaje, la planitud de la base y la deriva térmica durante el turno. Después se añade un margen: el criterio habitual es que la pieza ocupe como mucho dos tercios del recorrido, para conservar señal en los extremos y tolerar el desajuste de montaje.
Un ejemplo: una pieza con altura nominal 20 mm y tolerancia ±0,3 mm sobre un utillaje que repite a ±0,05 mm ocupa 0,7 mm de variación. Con el criterio de dos tercios, el recorrido necesario es de unos 1,1 mm, lo que sitúa al SFS-D1220 con 1,2 mm de recorrido en el límite y al SFS-D2615 con 2,6 mm en zona cómoda. Elegir el de 70 mm porque está disponible en almacén convierte un requisito de 30 nm en uno de 1550 nm.
Cuando el rango no alcanza
Hay tres salidas y conviene conocer su costo. La primera es un eje Z que reposicione el sensor entre medidas: cambia el rango efectivo por tiempo de ciclo. La segunda es una configuración de doble rango, con dos cabezas de distinto recorrido sobre la misma pieza. La tercera es aceptar el modelo largo y convivir con su resolución, lo que solo es válido si la tolerancia de la cota lo permite.
La cuarta salida —cambiar de tecnología— es la que menos se considera y a veces la correcta: si el requisito es una altura de varios milímetros con tolerancia de micras, un sistema de medición por imagen con óptica telecéntrica de gran profundidad puede cubrir el rango con una incertidumbre aceptable, siempre que la cota sea de contorno y no de altura real. La diferencia entre medir en el plano y medir en Z está desarrollada en medición de un solo disparo.
La superficie también mueve la resolución efectiva
La cifra de la tabla se cumple sobre una superficie adecuada. Sobre una superficie rugosa el espectro devuelto se ensancha, el pico está mal definido y la lectura dispersa aunque la resolución nominal no cambie. Sobre una superficie especular perfecta aparece el problema inverso: la señal es tan direccional que el alineamiento se vuelve crítico.
Por eso la comprobación honesta se hace sobre la pieza real. Un procedimiento corto: medir el mismo punto veinte veces sin mover nada, calcular la desviación típica, y repetir sobre tres piezas distintas del lote. Si la dispersión sobre la pieza real duplica la de la tabla, el problema es la superficie o el montaje, no el sensor. La distinción entre dispersión y error sistemático se desarrolla en repetibilidad no es exactitud.
El tiempo de integración es parte de la especificación
La mayoría de los sensores confocales permiten promediar varias adquisiciones. Promediar reduce la dispersión aleatoria, pero no corrige el error de linealidad ni la deriva térmica, y aumenta el tiempo de ciclo. Una ficha que declara 3 nm de repetibilidad normalmente lo hace con un tiempo de integración concreto; si la aplicación necesita 1 kHz, ese valor no aplica.
La forma correcta de especificar es en pareja: repetibilidad y tiempo de respuesta, igual que se hace con un caudal. Y si la pieza está en movimiento, hay que añadir el efecto del desplazamiento sobre la superficie durante la integración, que se trata en deriva de medición al cambiar la altura de la pieza.
Preguntas frecuentes
¿Puedo mejorar la resolución promediando más muestras?
Se reduce la dispersión aleatoria, que es la parte de la repetibilidad debida al ruido, pero no se mejora la resolución óptica del diseño ni el error de linealidad. Si el problema es que dos alturas separadas por 1 μm no se distinguen, promediar no las separa: solo estabiliza una lectura que seguirá siendo la misma para las dos.
¿Qué significa exactamente el error de linealidad de ±0,03 μm?
Es la máxima desviación entre la lectura del sensor y la altura real a lo largo de todo el recorrido, medida sobre un patrón trazable. No es la repetibilidad ni la exactitud absoluta: la repetibilidad describe la dispersión de medidas repetidas y la linealidad describe la forma sistemática del error al recorrer el rango.
¿Un modelo de rango largo puede sustituir a dos de rango corto?
Solo si la tolerancia más fina lo admite. Un SFS-D700150 con 1550 nm de repetibilidad no sustituye a un SFS-D108 con 3 nm sobre un escalón de 20 μm: la incertidumbre del modelo largo es mayor que la cota. La decisión se toma con la tolerancia más estrecha del plano, no con la más frecuente.
¿El coeficiente térmico cambia la elección del modelo?
Puede cambiarla. Se publica como porcentaje del fondo de escala por grado, así que en un modelo de recorrido grande pesa más en valor absoluto. En un taller sin control de temperatura, comparar dos modelos solo por su repetibilidad a 20 °C lleva a elegir el que peor se comporta durante el turno.