Konstrukční kritéria při výběru technologie senzoru přiblížení

Existuje několik předních technologií senzorů přiblížení; každý má velmi odlišné provozní standardy a různé síly, pokud jde o stanovení detekce, vzdálenosti nebo blízkosti. Tento článek popisuje čtyři z možných možností pro kompaktní, pevné vestavěné systémy a jejich základní principy fungování, aby pomohl technikům určit, kterou z nich vybrat v závislosti na jejich konstrukčních požadavcích.

Snímače přiblížení poskytují přesnou metodu detekce přítomnosti a vzdálenosti objektu bez fyzického kontaktu. Senzor vyzařuje buď elektromagnetické pole, světlo, nebo ultrazvukovou zvukovou vlnu, která odráží nebo prochází objektem a vrací se k senzoru. Významnou výhodou, kterou mají snímače přiblížení oproti běžným koncovým spínačům, je jejich vyšší odolnost a schopnost vydržet déle, protože nepoužívají žádné mechanické součásti.

Při kontrole technologie ideálního snímače přiblížení pro konkrétní aplikaci je třeba vzít v úvahu náklady, rozsah, velikost, obnovovací frekvenci nebo latenci a efekt materiálu a dát je do kontextu toho, co je pro design nejdůležitější.

Ultrazvukové senzory

Jak název napovídá, ultrazvukové senzory přiblížení vydávají ultrazvukový puls zvuku, který se nazývá „cvrlikání“, aby detekoval přítomnost objektu, a lze je také použít k výpočtu vzdálenosti k objektu. Skládají se z vysílače a přijímače a jejich funkce je založena na principech echolokace (obrázek 1).

Obrázek 1: Princip funkce ultrazvukového senzoru. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Měřením doby, za kterou se impulzy cvrlikání odrážejí od povrchu a vrací se zpět, často označované jako „doba průletu“ (ToF), může senzor určit, jak daleko je objekt. Vysílač a přijímač jsou obvykle blízko sebe, ale použití echolokace bude fungovat, i když bude vysílač a přijímač odděleny. V některých případech se funkce vysílání a příjmu spojí do jednoho balíčku; tato zařízení jsou známá jako ultrazvukové vysílače a přijímače.

Použitím zvuku namísto elektromagnetických vln nejsou hodnoty ultrazvukového senzoru ovlivněny barvou a průhledností objektu. Mají také další výhodu v tom, že neprodukují světlo, což je činí ideálními pro tmavé prostředí nebo dokonce pro prostředí, které je jasně osvětlené. Zvukové vlny vytvářejí rozpětí v čase a vzdálenosti, podobně jako vlnění ve vodě, a toto rozšíření oblasti detekce nebo zorného pole (FoV) lze v závislosti na aplikaci považovat za sílu nebo slabost. Avšak s dobrou úrovní přesnosti, poměrně vysokou obnovovací frekvencí a potenciálem přenášet stovky impulzů za sekundu mohou ultrazvukové senzory přiblížení poskytnout cenově efektivní, univerzální a bezpečné řešení.

Jednou ze základních nevýhod ultrazvukových senzorů je změna teploty vzduchu, která ovlivňuje rychlost zvukové vlny,čímž se snižuje přesnost měření. To však může být vyváženo měřením teploty ve vzdálenosti mezi vysílačem a přijímačem a příslušným přizpůsobením výpočtů. Mezi další omezení patří skutečnost, že je nemožné používat ultrazvukové senzory ve vakuu, kde není přítomen vzduch k přenosu zvuku. Měkké materiály také nebudou odrážet zvuk tak efektivně jako tvrdé povrchy, což může mít vliv na přesnost. A konečně, ačkoli je technologie ultrazvukového senzoru založena na podobné koncepci jako sonar, není funkční pod vodou.

Fotoelektrické senzory

Pro detekci přítomnosti nebo nepřítomnosti objektu jsou praktickou možností fotoelektrické senzory. Ačkoli jsou tyto senzory obvykle založeny na infračerveném záření a k jejich typickým aplikacím patří senzory garážových vrat nebo počítání osob v obchodech, jsou vhodné také pro širokou škálu dalších průmyslových aplikací.

Existuje několik způsobů implementace fotoelektrických senzorů (obrázek 2). Jednosměrný paprsek používá vysílač na jedné straně objektu s detektorem naproti. Pokud se paprsek přeruší, znamená to, že je přítomen předmět. Retroreflektivní implementace je na straně, kde jsou emitor a detektor umístěny společně, zatímco reflektor se nachází na opačné straně. Podobně rozptýlené uspořádání také společně lokalizuje emitor a detektor, ale místo toho se emitované světlo odráží od detekovaného objektu. Toto konfigurace neumožňuje měřit vzdálenost.

Obrázek 2: Fotoelektrické senzory - jednosměrné, retroreflexní a difuzně reflexní. (Zdroj obrázku: společnosti Same Sky)

Díky nastavení fotoelektrického senzoru v konfiguraci paprsku nebo retroreflexe jsou vhodné pro aplikace vyžadující rozšířený snímací rozsah s nízkou latencí. Protože je však nutné je pečlivě namontovat a sladit, může být instalace systému v rušném prostředí náročná. Difúzní implementace jsou vhodnější pro detekci malých objektů a mohou to být také mobilní detektory.

Nastavení fotoelektrického senzoru lze použít ve špinavém prostředí, které se často nachází v průmyslovém prostředí, a obvykle nabízí delší životnost než jiné alternativy, protože neobsahuje žádné pohyblivé části. Pokud je objektiv chráněn a udržován v čistotě, bude výkon senzorů zachován. I když dokáží detekovat většinu předmětů, mohou nastat problémy s průhlednými a reflexními povrchy a vodou. K dalším omezením patří přesný výpočet vzdálenosti a v závislosti na optickém zdroji také detekce objektů určité barvy, například červené, pokud se používá IR.

Laserové dálkoměry

Historicky nákladná volba, laserové vyhledávání vzdálenosti (LRF) se v poslední době stalo životaschopnějším řešením pro mnoho aplikací. Senzory s vysokým výkonem pracují na stejném principu jako ultrazvukové snímače, ale namísto zvukových vln používají laserový paprsek.

Protože se fotony šíří velmi vysokou rychlostí, může být obtížné přesně vypočítat ToF. Zde mohou techniky, jako je použití interferometrie, pomoci udržet přesnost při současném snížení nákladů (obrázek 3). Další výhodou laserových dálkoměrů je skutečnost, že díky využití elektromagnetického paprsku mají obvykle mimořádně dlouhý dosah (až tisíce stop) s minimální doba odezvy.

Obrázek 3: Implementace snímače laserového dálkoměru pomocí interferometrie. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Navzdory ultra-nízké latenci a schopnostem dosahů těchto senzorů mají svá vlastní omezení. Lasery jsou náročné na energii, což znamená, že nejsou vhodnou volbou pro bateriové nebo přenosné aplikace, a je třeba zvážit bezpečnostní problémy týkající se zdraví očí. Dalším problémem je skutečnost, že FoV je také relativně úzký a stejně jako u fotoelektrických senzorů nefunguje dobře s vodou nebo sklem. Navzdory poklesu ceny tohoto typu technologie se stále jedná o jednu z nejdražších dostupných možností.

Induktivní senzory

Ačkoli induktivní senzory existují již mnoho let, stávají se stále běžnějšími. Na rozdíl od jiných technologií snímání blízkosti však budou pracovat pouze s kovovými objekty, protože k detekci používají magnetické pole (obrázek 4). Typickou aplikací by byl detektor kovů.

Obrázek 4: Princip funkce indukčního senzoru (zdroj obrázku: Same Sky)

Rozsah detekce se může lišit v závislosti na nastavení senzoru. Aplikace s krátkým dosahem může spočívat v počítání otáček ozubeného kola pomocí detekce přítomnosti jeho zubu vedle snímače. Delší aplikace by mohly zahrnovat být počítání vozidel zabudováním indukčních senzorů do povrchu vozovky nebo dokonce demonstrace extrémní vzdálenosti, na kterou mohou senzory pracovat - detekce vesmírné plazmy. Podobně jako snímač přiblížení mají také indukční snímače tendenci být používány pro aplikace s velmi krátkým dosahem a mohou poskytovat extrémně rychlé obnovovací frekvence díky tomu, že jsou založeny na principu detekce rozdílů v elektromagnetických polích. Rovněž vykazují lepší vlastnosti u kovových materiálů, jako je železo a ocel.

Indukční snímače nabízejí nákladově efektivní řešení v širokém rozsahu. Je však třeba vzít v úvahu omezení materiálů, které mohou snímat, společně s jejich náchylností k širokému spektru zdrojů rušení.

Závěr

Při zvažování všech implementačních výzev pro snímání přiblížení představují často nejlepší technologické řešení ultrazvukové senzory (obrázek 5). Jejich nízká cena, schopnost detekovat přítomnost objektu, přesně vypočítat jeho vzdálenost a snadné použití, jsou vítězné atributy.

Obrázek 5: Porovnání čtyř technologií senzorů přiblížení (zdroj obrázku:Same Sky)

Další informace o ultrazvukových senzorech od Same Sky naleznete v článku: Ultrazvukové senzory zařízení CUI