DKK | EUR | USD

Designovervejelser, når du vælger en teknologi til nærhedssensorer

Af Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control at CUI Devices

Der er flere førende teknologier til nærhedssensorer; hver med meget forskellige driftsstandarder og forskellige styrker, når det gælder bestemmelse af detektion, afstand eller nærhed. Denne artikel skitserer fire af de mulige muligheder for kompakte, faste integrerede systemer og deres grundlæggende driftsprincipper for at hjælpe ingeniører med at bestemme hvilken der skal vælges afhængigt af deres designkrav.

Nærhedssensorer giver en nøjagtig metode til at detektere et objekts tilstedeværelse og afstand uden fysisk kontakt. Sensoren udsender enten et elektromagnetisk felt, et lys eller en ultralydslydbølge, der reflekterer eller passerer gennem et objekt og vender tilbage til sensoren. En væsentlig fordel, som nærhedssensorer har over konventionelle grænseafbrydere, er at de er mere holdbare og kan vare længere, da der ikke er mekaniske dele.

Når vi gennemgår den ideelle teknologi til nærhedssensorer til en bestemt applikation, skal omkostninger, rækkevidde, størrelse, opdateringshastighed eller responstid og materialeffekt overvejes og sættes i sammenhæng med, hvad der er det vigtigste for designet.

Ultralyd

Som navnet antyder, udsender ultralydssensorer en ultralydspuls af lyd, kaldet en 'kvidring', for at detektere et objekts tilstedeværelse og kan også bruges til at beregne afstanden til objektet. De består af en sender og modtager, og deres funktion er baseret på principperne for ekkolokalisering (figur 1).

Diagram over ultralydsfunktionFigur 1: Sådan fungerer en ultralydssensor. (Billedkilde: CUI Devices)

Ved at måle den tid, det tager for kvidringen at reflektere fra en overflade og vende tilbage, ofte omtalt som TOF (ime of flight), kan sensoren bestemme, hvor langt væk objektet er. Normalt er senderen og modtageren tæt på hinanden, men brug af ekkolokalisering fungerer stadig, når transmitter og modtager er adskilt. I nogle tilfælde kombineres sende- og modtagefunktionerne i en enkelt pakke; disse enheder er kendt som ultralyds-modtagere.

Ved at bruge lyd i stedet for elektromagnetiske bølger påvirkes sensoraflæsninger med ultralyd ikke af farve og gennemsigtighed af et objekt. De har også den ekstra fordel, at de ikke producerer lys, hvilket gør dem ideelle til mørke omgivelser eller endda dem, der er stærkt oplyste. Lydbølgerne skaber et spredning over tid og afstand, ligesom en krusning i vandet, og denne udvidelse af detekteringsområdet eller FoV (field of view)) kan betragtes som en styrke eller en svaghed afhængigt af applikationen. Imidlertid kan ultralydssensorer med et godt niveau af nøjagtighed, en forholdsvis høj opdateringshastighed og potentialet til at sende hundreder af kvidrer pr. sekund give en omkostningseffektiv, alsidig og sikker løsning.

En grundlæggende ulempe ved ultralydssensorer er ændring af lufttemperatur, der påvirker lydbølgens hastighed, hvilket reducerer målingernes nøjagtighed. Dette kan dog modvægtes ved at måle temperaturen på tværs af afstanden mellem sender og modtager og justere beregningerne i overensstemmelse hermed. Andre begrænsninger inkluderer det faktum, at det er umuligt at bruge ultralydssensorer i et vakuum, hvor der ikke er luft til at overføre lyden. Bløde materialer reflekterer heller ikke lyden så effektivt som hårde overflader, hvilket kan påvirke nøjagtigheden. Endelig, selvom ultralydssensorteknologi følger et lignende koncept som ekkolod, fungerer det ikke under vand.

Fotoelektrisk

For at detektere tilstedeværelsen eller fraværet af et objekt er fotoelektriske sensorer en praktisk mulighed. De er normalt infrarøde-baserede med typiske applikationer, herunder sensorer til en garageport eller optælling af beboere i butikkerne, selvom de er velegnede til en lang række andre industrielle applikationer.

Der er flere måder at implementere fotoelektriske sensorer på (Figur 2). Gennemstråling bruger en emitter på den ene side af et objekt med en detektor modsat. Hvis strålen går i stykker, indikerer dette, at en genstand er til stede. En retroreflekterende implementering er, hvor emitteren og detektoren er placeret sammen, mens reflektoren er modsat. På samme måde lokaliserer det diffuse arrangement også emitteren og detektoren, men i stedet reflekterer det udsendte lys ethvert objekt, der detekteres. Denne opsætning gør det ikke muligt at måle afstand.

Diagram over fotoelektriske sensorer: Gennemlys, retroreflekterende og diffus-reflekterendeFigur 2: Fotoelektriske sensorer - gennemlys, retroreflekterende og diffus-reflekterende. (Billedkilde: CUI Devices)

Opsætning af en fotoelektrisk sensor i gennemstrålings- eller retroreflekterende konfiguration gør dem egnede til applikationer, der kræver et udvidet sensorområde med lav latenstid. Da de skal monteres og justeres omhyggeligt, kan systeminstallation i travle miljøer være udfordrende. Implementeringer af diffus type er mere velegnede til at detektere små genstande og kan også være mobile detektorer.

Fotoelektriske sensoropsætninger kan bruges i beskidte miljøer, ofte i industrielle omgivelser, og tilbyder typisk en længere levetid end andre alternativer på grund af at de ikke har nogen bevægelige dele. Så længe linsen er beskyttet og holdes ren, bevares sensorernes ydeevne. Selvom de kan mærke de fleste objekter, kan der opstå problemer med transparente og reflekterende overflader og vand. Andre begrænsninger inkluderer nøjagtig afstandsberegning og, afhængigt af den optiske kilde, detektering af objekter i en bestemt farve, for eksempel rød, hvis der bruges IR.

Laser afstandsmålere

Historisk set er en dyre løsning, LRF (Laser Range Finding) for nylig blevet en mere levedygtig løsning til mange applikationer. High-power sensorer fungerer på samme princip som ultralydssensorer, men bruger en laserstråle i stedet for lydbølger.

Da fotoner kører med så høj hastighed, kan det være svært at beregne ToF nøjagtigt. Her kan teknikker såsom brug af interferometri hjælpe med at opretholde nøjagtighed og samtidig reducere omkostningerne (figur 3). En anden fordel ved laserafstandsmålesensorer er, at de på grund af brugen af den elektromagnetiske stråle normalt har en utrolig lang rækkevidde (op til tusinder af fod), og svartiden er minimal.

Diagram over implementering af laserafstandsmålersensor ved hjælp af interferometriFigur 3: Implementering af laserafstandsmålersensoren ved hjælp af interferometri. (Billedkilde: CUI Devices)

På trods af disse sensors ultra-lave latenstid og rækkevidde har de deres egne begrænsninger. Laserne er strøm-hungrende, hvilket igen betyder, at de ikke er en passende mulighed til batteridrevne eller bærbare applikationer, og der er sikkerhedsproblemer, der skal overvejes med hensyn til okulær sundhed. En anden overvejelse er, at FoV også er relativt smal, og som med fotoelektriske sensorer fungerer de ikke godt sammen med vand eller glas. På trods af at prisen for denne type teknologi reducerer, er det også stadig en af de dyreste muligheder.

Induktiv

Induktive sensorer har eksisteret i mange år, men de bliver mere mainstream. Men i modsætning til de andre nærhedssensor teknologier fungerer de kun med metalgenstande, da de bruger et magnetfelt til detektion (figur 4). En typisk anvendelse ville være en metaldetektor.

Diagram over, hvordan en induktiv sensor fungererFigur 4: Sådan fungerer en induktiv sensor (billedkilde: CUI Devices)

Registreringsområdet kan variere afhængigt af, hvordan sensoren er indstillet. En kort rækkevidde kan være at tælle gearrotationer ved at registrere, hvornår en tand er til stede ved siden af sensoren. Længere applikationer kan være at tælle køretøjer ved at indlejre induktive sensorer i en vejoverflade eller endda at demonstrere den ekstreme afstand, sensorerne kan køre over, for at detektere pladsplasma. Som nærhedssensorer har induktive sensorer tendens til at blive brugt til applikationer med meget kort rækkevidde og kan give ekstremt hurtige opdateringshastigheder på grund af at være baseret på princippet om at detektere forskelle i elektromagnetiske felter. De klarer sig også bedre med jernholdige materialer, såsom jern og stål.

Induktive sensorer tilbyder en omkostningseffektiv løsning over et stort udvalg. Dog skal begrænsningerne for, hvilke materialer de kan mærke sammen med det faktum, at de er modtagelige for en bred vifte af interferenskilder, overvejes.

Konklusion

Når man overvejer alle udfordringerne ved implementering for nærhedssensorer, er ultralydssensorer ofte den bedste samlede teknologi (figur 5). Deres lave omkostninger, evnen til at opdage tilstedeværelsen af et objekt, nøjagtigt beregne afstanden og brugervenligheden er de vindende attributter.

Tabel over sammenligning af de fire teknologier til nærhedssensorerFigur 5: Sammenligning af de fire teknologier til nærhedssensorer (billedkilde: CUI Devices)

For mere information om ultralydssensorer fra CUI Devices, se: CUI Devices Ultralydssensorer

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om denne forfatter

Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control at CUI Devices

Article provided by Jeff Smoot of CUI Devices.