Considerente legate de proiectare pentru selectarea unei tehnologii a senzorilor de proximitate

Există numeroase tehnologii pentru senzorii de proximitate, fiecare dintre acestea având standarde de funcționare foarte diferite și avantaje diferite în ceea ce privește determinarea detecției, distanței sau proximității. Acest articol prezintă patru dintre opțiunile posibile pentru sistemele încorporate compacte și fixe, precum și principiile de bază ale funcționării acestora, pentru a-i ajuta pe ingineri să determine pe care să o aleagă, în funcție de cerințele lor de proiectare.

Senzorii de proximitate oferă o metodă precisă de detectare a prezenței unui obiect și a distanței până la acesta, fără contact fizic. Senzorul emite fie un câmp electromagnetic, fie lumină, fie unde ultrasonice care se reflectă de un obiect sau care trec prin acesta și se întorc la senzor. Un avantaj semnificativ pe care îl au senzorii de proximitate față de întrerupătoarele de limită convenționale este faptul că sunt mai rezistenți și pot funcționa mai mult timp, deoarece nu au părți mecanice.

Atunci când se analizează tehnologia ideală a senzorului de proximitate pentru o anumită aplicație, costul, raza de acțiune, dimensiunea, rata de reîmprospătare sau latența și efectul materialului trebuie să fie luate în considerare și puse în contextul aspectelor cele mai importante pentru proiectare.

Ultrasunete

După cum sugerează și numele, senzorii de proximitate cu ultrasunete emit un impuls sonor cu ultrasunete, numit „tril”, pentru a detecta prezența unui obiect, și pot fi utilizați și pentru a calcula distanța până la obiect. Aceștia sunt formați dintr-un emițător și un receptor, iar funcționarea lor se bazează pe principiile ecolocației (Figura 1).

Figura 1: modul de funcționare a unui senzor cu ultrasunete. (Sursă imagine: Same Sky)

Prin măsurarea timpului necesar pentru ca trilul să se reflecte de pe o suprafață și să se întoarcă, adesea denumit „timp de zbor” (ToF), senzorul poate determina cât de departe se află obiectul. De obicei, emițătorul și receptorul sunt aproape unul de celălalt, dar utilizarea ecolocației va funcționa și atunci când emițătorul și receptorul sunt separate. În unele cazuri, funcțiile de emisie și recepție se combină într-un singur pachet; aceste dispozitive sunt cunoscute sub numele de emițătoare-receptoare cu ultrasunete.

Prin utilizarea sunetului în locul undelor electromagnetice, citirile senzorilor cu ultrasunete nu sunt afectate de culoarea și transparența unui obiect. De asemenea, aceștia au avantajul suplimentar că nu produc lumină, ceea ce îi face ideali pentru mediile întunecate sau chiar și pentru cele care sunt puternic iluminate. Undele sonore determină o răspândire în timp și pe distanță, la fel ca o undă în apă, iar această lărgire a zonei de detecție, sau a câmpului de vizualizare (FoV), poate fi un avantaj sau un dezavantaj, în funcție de aplicație. Cu toate acestea, cu un nivel bun de precizie, o rată de reîmprospătare suficient de mare și potențialul de a transmite sute de triluri pe secundă, senzorii de proximitate cu ultrasunete pot oferi o soluție rentabilă, versatilă și sigură.

Un dezavantaj fundamental al senzorilor cu ultrasunete este faptul că schimbarea temperaturii aerului va afecta viteza undei sonore, ceea ce va reduce precizia măsurătorilor. Totuși, acest lucru poate fi contrabalansat prin măsurarea temperaturii pe distanța dintre emițător și receptor și prin ajustarea corespunzătoare a calculelor. Alte limitări includ faptul că este imposibilă utilizarea senzorilor cu ultrasunete în vid, unde nu există aer care să transmită sunetul. De asemenea, materialele moi nu vor reflecta sunetul la fel de eficient ca și suprafețele dure, ceea ce poate afecta precizia. În cele din urmă, deși tehnologia senzorilor cu ultrasunete are un concept similar cu sonarul, aceasta nu funcționează sub apă.

Fotoelectric

Pentru detectarea prezenței sau absenței unui obiect, senzorii fotoelectrici reprezintă o opțiune practică. De obicei, aceștia se bazează pe unde din spectrul infraroșu, iar aplicațiile tipice includ senzorii pentru ușile de garaj sau numărarea ocupanților în magazine, deși sunt potriviți și pentru o gamă largă de alte aplicații industriale.

Există mai multe moduri de implementare a senzorilor fotoelectrici (Figura 2). Un fascicul traversant utilizează un emițător pe o parte a obiectului și un detector în partea opusă. Dacă fasciculul se întrerupe, înseamnă că există un obiect. O implementare retroreflectivă este cea în care emițătorul și detectorul sunt amplasate împreună, în timp ce reflectorul este în direcție opusă. În mod similar, aranjamentul cu difuzie co-localizează și emițătorul și detectorul, dar, în schimb, lumina emisă se reflectă de pe orice obiect detectat. Această configurație nu face posibilă măsurarea distanței.

Figura 2: senzori fotoelectrici - cu fascicul traversant, retroreflexivi și reflexie-difuzie. (Sursă imagine: Same Sky)

Configurarea unui senzor fotoelectric în aranjamentul cu fascicul traversant sau retroreflexiv îl face potrivit pentru aplicațiile care necesită o rază de detecție extinsă cu latență redusă. Cu toate acestea, deoarece trebuie să fie montați și aliniați cu atenție, instalarea sistemului în medii aglomerate poate fi o provocare. Implementările cu difuzie sunt mai potrivite pentru detectarea obiectelor mici și pot funcționa, de asemenea, și ca detectoare mobile.

Configurările senzorilor fotoelectrici pot fi utilizate în medii murdare, adesea întâlnite în mediile industriale, și oferă, de obicei, o durată de viață mai lungă decât alte alternative, datorită faptului că nu au părți mobile. Atâta timp cât lentila este protejată și păstrată curată, performanța senzorilor va fi menținută. Deși pot detecta majoritatea obiectelor, pot apărea probleme în cazul suprafețelor transparente și reflective și în cazul apei. Alte limitări includ calculul precis al distanței și, în funcție de sursa optică, detectarea obiectelor de o anumită culoare, de exemplu, roșu, dacă se utilizează IR.

Telemetre cu laser

Fiind, din perspectivă istorică, o opțiune costisitoare, telemetria cu laser (LRF) a devenit recent o soluție mai viabilă pentru multe aplicații. Senzorii de mare putere funcționează pe același principiu ca și senzorii cu ultrasunete, dar utilizează un fascicul laser în locul undelor sonore.

Deoarece fotonii se deplasează cu o viteză atât de mare, calcularea exactă a ToF poate fi dificilă. În acest caz, tehnici precum interferometria pot contribui la menținerea preciziei, reducând în același timp costurile (Figura 3). Un alt avantaj al senzorilor de telemetrie cu laser este că, datorită fasciculului electromagnetic, aceștia au de obicei o rază de acțiune incredibil de mare (până la mii de metri), iar timpul de răspuns este minim.

Figura 3: implementarea senzorului de telemetrie cu laser folosind interferometria. (Sursă imagine: Same Sky)

În ciuda latenței foarte reduse și capacităților legate de raza de acțiune ale acestor senzori, aceștia au și limitări. Laserele sunt mari consumatoare de energie, ceea ce înseamnă că nu sunt o opțiune potrivită pentru aplicațiile portabile sau cu baterii și că există probleme de siguranță care trebuie luate în considerare în ceea ce privește sănătatea oculară. Un alt considerent este faptul că FoV este, de asemenea, relativ îngust și, la fel ca în cazul senzorilor fotoelectrici, aceștia nu funcționează bine cu apă sau sticlă. Deși prețul pentru acest tip de tehnologie a scăzut, aceasta este, totuși, una dintre cele mai scumpe opțiuni disponibile.

Inductiv

Senzorii inductivi există de mai mulți ani, dar au început să fie din ce în ce mai răspândiți. Cu toate acestea, spre deosebire de celelalte tehnologii de detectare a proximității, aceștia vor funcționa numai cu obiecte metalice, deoarece utilizează un câmp magnetic pentru detectare (Figura 4). O aplicație tipică ar fi un detector de metale.

Figura 4: cum funcționează un senzor inductiv, (Sursă imagine: Same Sky)

Raza de detecție poate varia în funcție de modul în care este configurat senzorul. O aplicație cu rază scurtă de acțiune ar putea fi numărarea rotațiilor angrenajului prin detectarea momentului în care un dinte de angrenaj ajunge lângă senzor. Aplicațiile de durată mai lungă ar putea fi numărarea vehiculelor prin încorporarea de senzori inductivi în suprafața drumului sau, pentru a demonstra distanța extremă la care pot funcționa senzorii – detectarea plasmei spațiale. Ca senzori de proximitate, senzorii inductivi tind să fie utilizați pentru aplicații cu rază foarte scurtă de acțiune și pot oferi rate de reîmprospătare extrem de rapide, deoarece se bazează pe principiul detectării diferențelor din câmpurile electromagnetice. De asemenea, aceștia se comportă mai bine cu materialele feroase, cum ar fi fierul și oțelul.

Senzorii inductivi oferă o soluție rentabilă pentru o gamă foarte largă. Cu toate acestea, trebuie luate în considerare limitările privind materialele pe care le pot detecta, precum și faptul că sunt sensibile la o gamă largă de surse de interferență.

Concluzie

Atunci când se iau în considerare toate provocările legate de implementarea senzorilor de proximitate, senzorii cu ultrasunete reprezintă adesea cea mai bună tehnologie în general (Figura 5). Costul scăzut al acestora, capacitatea de a detecta prezența unui obiect, de a calcula cu precizie distanța până la acesta și ușurința de utilizare sunt atributele câștigătoare.

Figura 5: comparație între cele patru tehnologii ale senzorilor de proximitate (Sursă imagine: Same Sky)

Pentru mai multe informații despre senzorii cu ultrasunete de la Same Sky, vizitați: Senzori cu ultrasunete Same Sky