Konstruktionsöverväganden vid val av teknik för närhetsavkänning

Det finns flera ledande tekniker för närhetsavkänning, var och en med väldigt olika arbetssätt och olika fördelar när det kommer till detektering, avstånd och närhet. Artikeln beskriver fyra av de möjliga alternativen för kompakta, fasta inbäddade system och deras grundläggande användningsprinciper för att hjälpa konstruktörer att avgöra vilken som bör väljas beroende på deras konstruktionskrav.

Närhetssensorer ger en exakt metod för att känna av ett objekts närvaro och avstånd utan att ha någon fysisk kontakt. Sensorn avger antingen ett elektromagnetiskt fält, ljus eller en våg av ultraljud som studsar mot, eller passerar genom ett objekt och återvänder till sensorn. En betydande fördel med närhetssensorer jämfört med konventionella gränslägesbrytare är att de är mer hållbara och kan hålla längre, eftersom det inte finns några mekaniska delar.

När vi granskar den perfekta tekniken för närhetsavkänning för en viss tillämpning, måste kostnad, räckvidd, storlek, uppdateringsfrekvens eller latens och materialeffekt alla övervägas beroende på vad som är viktigast för konstruktionen.

Ultraljud

Som namnet antyder skickar ultraljudssensorer ut en puls av ultraljud, som kallas för ”kvitter", för att känna av ett objekts närvaro och det kan även användas för att beräkna avståndet till objektet. De består av en sändare och en mottagare, och funktionen bygger på principerna för ekolokalisering (figur 1).

Figur 1: Så här fungerar en ultraljudssensor. (Bildkälla: Same Sky)

Genom att mäta hur lång tid det tar för kvittret att reflekteras mot en yta och återvända, även kallat ”svarstid” (ToF), kan sensorn avgöra hur långt bort objektet är. Sändaren och mottagaren är för det mesta nära varandra, men användning av ekolokalisering fungerar när sändaren och mottagaren är åtskilda. I vissa fall kombineras sändar- och mottagarfunktionerna till ett enda paket, dessa enheter är kända som ultraljudstransceivrar.

Genom att använda ljud istället för elektromagnetiska vågor påverkas ultraljudssensorer inte av ett objekts färg och genomskinlighet. De har även den extra fördelen att de inte producerar ljus, vilket gör dem perfekta för mörka miljöer eller till och med miljöer med stark belysning. Ljudvågorna skapar en spridning över tid och avstånd, på ungefär samma sätt som en krusning i vatten, och denna utvidgning av detekteringsområdet eller synfältet (FoV) kan betraktas som en styrka eller en svaghet beroende på tillämpningen. Men med en god noggrannhet, en relativt hög uppdateringsfrekvens och potentialen att skicka hundratals kvitter per sekund kan ultraljudssensorer vara en prisvärd, mångsidig och säker lösning.

En grundläggande nackdel med ultraljudssensorer är att förändringar i lufttemperaturen kommer att påverka ljudvågens hastighet, vilket minskar noggrannheten i mätningen. Detta kan dock motverkas genom att mäta temperaturen för avståndet mellan sändaren och mottagaren och justera beräkningarna därefter. Andra begränsningar inkluderar det faktum att det är omöjligt att använda ultraljudssensorer i ett vakuum, där det inte finns någon luft som kan överföra ljudet. Mjuka material reflekterar inte heller ljudet lika effektivt som hårda ytor, vilket kan påverka noggrannheten. Slutligen, även om teknik för ultraljudssensorer arbetar enligt ett liknande koncept som ekolod, så fungerar det inte under vatten.

Fotoelektrisk

För att detektera närvaro eller frånvaro av ett objekt är fotoelektriska sensorer ett praktiskt alternativ. De baseras för det mesta på infrarött ljus, med typiska tillämpningar som sensorer för garageportar eller besöksräknare i butiker, även om de är lämpliga för en stor mängd andra industriella tillämpningar.

Det finns flera sätt att implementera fotoelektriska sensorer på (figur 2). Genomstrålning använder en sändare på ena sidan av ett objekt med en detektor på motsatt sida. Om strålen bryts indikerar detta att ett objekt är närvarande. En reflekterande implementering är där sändaren och mottagaren är placerade tillsammans, medan reflektorn finns på motsatt sida. På liknande sätt, sitter sändaren och mottagaren tillsammans i det spridda arrangemanget, men det utsända ljuset reflekteras istället från alla objekt som detekteras. Denna konfiguration gör det inte möjligt att mäta avstånd.

Figur 2: fotoelektriska sensorer – genomstrålning, reflekterande och diffusa-reflekterande. (Bildkälla: Same Sky)

Att konfigurera en fotoelektrisk sensor i en genomstrålande eller återreflekterande konfiguration, gör dem lämpliga för tillämpningar som kräver ett utökat avkänningsområde med låg latens. Eftersom de måste monteras och justeras noggrant kan systeminstallation i stökiga miljöer vara utmanande. Implementeringar av diffus typ är mer lämpliga för att detektera små föremål och kan också bestå av mobila detektorer.

Konfigurationer med fotoelektriska sensorer kan användas i smutsiga miljöer, ofta i industriella miljöer, och erbjuder vanligtvis en längre livslängd än andra alternativ på grund av att de inte har några rörliga delar. Så länge linsen är skyddad och hålls ren kommer sensorernas prestanda att bibehållas. Även om de kan känna av de flesta föremål kan problem uppstå för genomskinliga och reflekterande ytor eller vatten. Andra begränsningar inkluderar exakt avståndsberäkning och, beroende på den optiska källan, detektering av objekt av en viss färg, till exempel röd om IR används.

Laseravståndsmätare

Historiskt sett ett dyrt alternativ, Laseravståndsmätning (LRF) har nyligen blivit en mer ekonomiskt gångbar lösning för många tillämpningar. Högeffektsensorerna arbetar enligt samma princip som ultraljudssensorer men använder en laserstråle istället för ljudvågor.

Eftersom fotoner rör sig med en så hög hastighet, kan det vara svårt att beräkna noggrannheten i svarstiden exakt. Här, kan tekniker såsom interferometri göra det lättare att bibehålla noggrannheten samtidigt som kostnaderna minskas (figur 3). En annan fördel med sensorer för laseravståndsmätning är att de på grund av användningen av den elektromagnetiska strålen vanligtvis har en otroligt lång räckvidd (upp till flera hundratals meter) och svarstiden är minimal.

Figur 3: Implementering av sensor för laseravståndmätning med hjälp av interferometri. (Bildkälla: Same Sky)

Trots sensorernas extremt låga latens och räckvidd, har de sina egna begränsningar. Lasrarna är energikrävande, vilket i sin tur innebär att de inte är ett lämpligt alternativ för batteridrivna eller bärbara tillämpningar, och det finns säkerhetsfrågor att tänka på när det gäller skydd av ögon. En annan övervägning är att synfältet också är relativt smalt, och på samma sätt som med fotoelektriska sensorer fungerar de inte bra med vatten eller glas. Trots att priset för denna typ av teknik minskar är det fortfarande ett av de dyraste alternativen som finns.

Induktiv

Induktiva sensorer har funnits i många år, men de blir allt mer vanliga. Till skillnad från andra tekniker för närhetsavkänning fungerar de dock endast med metallföremål eftersom de använder ett magnetfält för detektering (figur 4). En typisk tillämpning är en metalldetektor.

Figur 4: Så fungerar en induktiv sensor, (Bildkälla: Same Sky)

Avkänningsområdet kan variera beroende på hur sensorn är inställd. En tillämpning med kort räckvidd kan vara att räkna kuggar på ett kugghjul när ett sådant finns i närheten av sensorn. Tillämpningar på längre avstånd kan vara att räkna fordon genom att bädda in induktiva sensorer i en vägyta eller till och med för att visa det extrema avståndet sensorerna kan arbeta över - att upptäcka plasma i rymden. Som en närhetssensor tenderar induktiva sensorer att användas för tillämpningar med väldigt kort räckvidd och kan ge extremt snabba uppdateringshastigheter på grund av att de baseras på principen att detektera skillnader i elektromagnetiska fält. De fungerar även bättre med järnhaltiga material, såsom järn och stål

Induktiva sensorer är en prisvärd lösning inom en stor mängd områden. Begränsningarna av vilka material de kan känna av tillsammans med det faktum att de är mottagliga för ett stort antal störningskällor måste dock beaktas.

Slutsats

När man överväger alla utmaningar vid implementering av närhetsavkänning är ultraljudssensorer ofta den bästa generella tekniken (figur 5). Deras billiga, förmåga att upptäcka närvaron av ett objekt, exakt beräkna dess avstånd och enkla användning är de vinnande egenskaperna.

Figur 5: Jämförelse av de fyra teknikerna för närhetsavkänning (Bildkälla: Same Sky)

För mer information om ultraljudssensorer från Same Sky, besök:Same Sky Ultrasonic Sensors