Nabijheidssensoren:de verschillende technologieën bekijken

Leer hoe vier verschillende soorten naderingssensortechnologieën zich verhouden:ultrasoon, foto-elektrisch, laserafstandsmeter en inductieve sensoren.

Meestal gebruikt als een no-touch-methode om ofwel eenvoudige objectdetectie of nauwkeurige afstandsmeting tot een object te bieden, zijn er nu veel technologieën die onder de nabijheidssensorhiërarchie vallen, elk met verschillende werkingsprincipes, sterke punten en nadelen.

Maar hoe kiest een ingenieur, met zo'n verscheidenheid aan beschikbare opties, de technologie die het beste bij zijn ontwerp past?

Om ontwerpers bij dit proces te helpen, worden in dit artikel vier van de meest populaire naderingssensortechnologieën besproken die realistisch gezien passen in draagbare of kleine vaste embedded systemen en die geschikt zijn voor gematigde detectiebereiken van enkele centimeters tot tientallen voet:

• Ultrasoon
• Foto-elektrisch
• Laserafstandsmeter
• Inductieve sensoren

Capacitieve en Hall-effectsensoren zijn twee andere populaire naderingssensortechnologieën die hier niet in aanmerking komen vanwege hun doorgaans beperkte gebruik in detectiescenario's op zeer korte afstand.

Voordat we ingaan op elk van de vier hierboven genoemde technologieën, is het belangrijk op te merken dat geen enkele technologie voor naderingssensoren een pasklare oplossing biedt voor elke toepassing en voor elk beoogde gebruik. Er zijn veel factoren waarmee u rekening moet houden bij het selecteren van een naderingssensortechnologie, zoals kosten, detectiebereik, pakketgrootte, verversingssnelheid en effect van materialen.

Inzicht in waar elke technologie binnen het spectrum van deze verschillende factoren valt en welke het meest cruciaal zijn voor de uiteindelijke toepassing, is de sleutel tot het maken van de juiste selectie.

Ultrasone technologie

Ultrasone sensoren genereren ultrasone geluidspulsen en meten de tijd die het duurt voordat die puls van een object weerkaatst en terugkeert. Ze kunnen worden gebruikt om de afstand tot het object te berekenen of om eenvoudig de aanwezigheid ervan te detecteren.

Een implementatie van een ultrasone sensor kan ofwel afzonderlijke zender- en ontvangermodules gebruiken - waarbij de zender een pieptoon uitzendt en de ontvanger deze detecteert - of de zend- en ontvangstfuncties kunnen worden gecombineerd in een enkele module die bekend staat als een ultrasone zendontvanger. In implementaties waar afzonderlijke zender- en ontvangermodules worden gebruikt, worden ze doorgaans zo dicht mogelijk bij elkaar geplaatst voor de grootste nauwkeurigheid.

Figuur 1. Algemene implementatie van ultrasone technologie

Vanwege hun eenvoudige ontwerp zijn ultrasone sensoren een goedkope optie met een aantal voordelen waardoor ze zeer geschikt zijn voor een breed scala aan toepassingen. In staat om honderden pulsen per seconde uit te zenden, zijn ultrasone sensoren nauwkeurig met een hoge verversingssnelheid.

Omdat ultrasone sensoren zijn gebaseerd op geluid in plaats van op elektromagnetische golven, hebben de kleur en transparantie van objecten, evenals de werking in lichte of donkere omgevingen, geen invloed op de nauwkeurigheid of functie. Bovendien, naarmate geluidsgolven zich in de loop van de tijd verspreiden, neemt hun detectiegebied toe, wat een sterkte of zwakte kan zijn op basis van de ontwerpbehoeften.

Hoewel geluid niet wordt beïnvloed door licht of duisternis, wordt de geluidssnelheid beïnvloed door veranderingen in de luchttemperatuur. Elke dramatische verandering in deze temperatuur kan de nauwkeurigheid van ultrasone sensoren sterk beïnvloeden. Dit kan worden gecompenseerd door de temperatuur te meten om eventuele berekeningen bij te werken, maar dit is nog steeds een beperking van de technologie.

Deze geluidsgolven kunnen ook worden beperkt door zachte of absorberende materialen die het geluid niet zo efficiënt laten weerkaatsen. Ten slotte zijn ultrasone sensoren niet bedoeld voor gebruik onder water en hun afhankelijkheid van geluidsgolven betekent dat ze niet functioneel zijn in een vacuüm waar er geen medium is voor geluidsoverdracht. De blog van CUI Devices, The Basics of Ultrasonic Sensors, gaat dieper in op deze technologie.

Foto-elektrische technologie

Het meest effectief voor afwezigheids- of aanwezigheidsdetectie, worden foto-elektrische sensoren algemeen erkend voor hun gebruik in garagedeursensoren of het tellen van bewoners in winkels, naast andere industriële, residentiële en commerciële toepassingen. Zonder bewegende delen hebben foto-elektrische sensoren over het algemeen een lange productlevenscyclus. Ze kunnen de meeste materialen voelen, maar transparante objecten of water kunnen tot problemen leiden.

Ze bieden verschillende implementaties:zender-ontvanger, retroreflecterend en diffuus reflecterend.

De zender-ontvanger-implementatie (Figuur 2) is wat men zou kunnen herkennen als de hierboven genoemde garagedeursensor met een zender en ontvanger die tegenover elkaar zijn geplaatst. Elke breuk in de straal tussen deze twee punten geeft de sensor de aanwezigheid van een object aan.

Figuur 2. Zender-beam implementatie

Retroreflective (Figuur 3) plaatst de zender en ontvanger naast elkaar met een retroreflector die tegenover elkaar is geplaatst en die de straal van zender naar ontvanger reflecteert.

Figuur 3. Retroreflecterende implementatie

Diffuus-reflecterend (Figuur 4) werkt vergelijkbaar met retroreflectief, maar in plaats van stralen van een reflector te weerkaatsen, kaatst het de straal van elk nabijgelegen object, net als ultrasone sensoren. Deze implementatie heeft echter niet de mogelijkheid om afstand te berekenen.

Figuur 4. Diffuus reflecterende uitvoering

De verschillende implementaties hebben ook hun voordelen, aangezien zender-ontvanger en retroreflecterend lange detectiebereiken en snelle reactietijden bieden, terwijl diffuus-reflectief goed is in het detecteren van kleine objecten. Foto-elektrische sensoren zijn ook een robuuste oplossing die vaak wordt aangetroffen in industriële omgevingen, zolang de lens vrij blijft van verontreinigingen. Dat gezegd hebbende, afstandsberekening is een vrijwel onbestaande mogelijkheid van foto-elektrische sensoren en zowel objectkleur als reflectiviteit kunnen problemen veroorzaken.

De verschillende foto-elektrische implementaties vereisen ook een zorgvuldige montage en uitlijning, wat kan leiden tot extra uitdagingen in complexe systemen.

Laserafstandsmetertechnologie

Door gebruik te maken van elektromagnetische stralen in plaats van geluidsgolven, werken laserafstandsmetersensoren op vergelijkbare principes als ultrasone sensoren. Hoewel deze technologie de afgelopen jaren economisch rendabeler is geworden, is het nog steeds een veel duurdere optie in vergelijking met ultrasone en andere technologieën.

Laserafstandsmetertechnologie heeft een extreem lang detectiebereik van honderden of duizenden meters, samen met snelle responstijden. Omdat de lichtsnelheid veel sneller is dan de snelheid van het geluid, kunnen vliegtijdmetingen een uitdaging zijn voor laserafstandsmetersensoren. Dit is waar implementaties zoals interferometrie kunnen worden gebruikt om de kosten te verlagen en de nauwkeurigheid te verbeteren.

Figuur 5. Typische laserafstandsmeter interferometrie setup

Zoals eerder vermeld, is laserafstandsmeting verreweg de duurste technologie die in dit artikel wordt besproken, waardoor het minder haalbaar is voor de stuklijst van veel ingenieurs. De lasers die in deze sensortechnologie worden gebruikt, verbruiken ook veel stroom, waardoor het gebruik ervan in draagbare toepassingen wordt beperkt, terwijl gebruikers ook worden blootgesteld aan mogelijke oogveiligheidsrisico's.

Afhankelijk van de beoogde toepassing kunnen het relatief gefocuste detectiegebied van een laser en het gebrek aan spreiding als een voordeel of beperking worden gezien. Laserafstandsmeters presteren ook niet goed bij het omgaan met water of glas.

Inductieve technologie

Hoewel gebaseerd op een ouder werkingsprincipe, worden inductieve sensoren de laatste tijd op grotere schaal gebruikt. In tegenstelling tot de andere drie technologieën die tot nu toe zijn besproken, is inductieve technologie echter alleen geschikt voor metalen objecten.

Inductieve sensoren werken door veranderingen in het magnetische veld te detecteren wanneer metalen voorwerpen binnen het detectiebereik komen. Dit is het basisprincipe van elke metaaldetector.

Figuur 6. Inductieve sensoren worden gebruikt om metalen voorwerpen te detecteren

Buiten de gewone metaaldetector hebben inductieve sensoren een breed detectiebereik, meestal in het bereik van millimeters tot meters. Dit kunnen toepassingen op korte afstand zijn, zoals het tellen van tandwielrotaties of implementaties met een groter bereik, zoals voertuigdetectie op wegen.

Ze presteren het best met ijzerhoudende materialen (d.w.z. ijzer en staal), maar kunnen nog steeds niet-magnetische objecten detecteren met een kleiner detectiebereik. Inductieve sensoren bieden ook extreem snelle verversingsfrequenties, eenvoudige bediening en flexibiliteit in termen van hun detectiebereik. Ze worden echter uiteindelijk beperkt door wat ze kunnen voelen en zijn vatbaar voor interferentie van verschillende bronnen.

Conclusie

Er zijn veel factoren waarmee u rekening moet houden bij het selecteren van een naderingssensortechnologie. Inzicht in de voordelen en afwegingen van de verschillende technologieën die in dit artikel worden besproken, kan dit selectieproces vergemakkelijken.

Tabel 1. Matrixvergelijking van de afgedekte naderingssensoren op kosten, bereik, grootte, verversingssnelheid en effect van materiaal.

Hoewel elke technologie het meest geschikte gebruik heeft, zijn ultrasone sensoren vaak een goede keuze vanwege hun lage kosten, het vermogen om zowel aanwezigheid als afstand te detecteren, en de doorgaans eenvoudige implementatie. Dit is de reden waarom ultrasone sensoren in zo'n breed scala aan ontwerpen worden gevonden, terwijl ze steeds nieuwe toepassingen en toepassingen blijven vinden.

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.