EUR | USD

Ontwerpoverwegingen bij het selecteren van een nabijheidssensortechnologie

Door Jeff Smoot, VP van Apps Engineering and Motion Control bij CUI Devices

Er zijn verschillende toonaangevende technologieën voor nabijheidssensors, elk met zeer verschillende operationele normen en verschillende sterke punten als het gaat om het bepalen van detectie, afstand of nabijheid. Dit artikel geeft een overzicht van vier van de mogelijke opties voor compacte, vaste ingebedde systemen en hun basisprincipes voor de werking, om ingenieurs te helpen bepalen welke optie zij moeten kiezen afhankelijk van hun ontwerpvereisten.

Nabijheidssensors bieden een nauwkeurige methode om de aanwezigheid en afstand van een voorwerp te detecteren zonder dat er fysiek contact is. De sensor zendt een elektromagnetisch veld, licht of ultrasone geluidsgolf uit die weerkaatst wordt door een voorwerp of er doorheen gaat en terugkeert naar de sensor. Een belangrijk voordeel van nabijheidssensors ten opzichte van conventionele eindschakelaars is dat zij duurzamer zijn en langer meegaan, aangezien er geen mechanische onderdelen zijn.

Bij de evaluatie van de ideale nabijheidssensortechnologie voor een bepaalde toepassing moeten de kosten, het bereik, de afmetingen, de vernieuwingsfrequentie of latentie en het effect op het materiaal allemaal in aanmerking worden genomen en in de context worden geplaatst van wat voor het ontwerp het belangrijkst is.

Ultrasoon

Zoals de naam al zegt, zenden ultrasone nabijheidssensors een ultrasone geluidspuls uit, een "chirp" genaamd, om de aanwezigheid van een voorwerp te detecteren, en kunnen zij ook worden gebruikt om de afstand tot het voorwerp te berekenen. Zij bestaan uit een zender en een ontvanger, en hun functie is gebaseerd op de principes van echolocatie (Afbeelding 1).

Schema van de werking van de ultrasone sensorAfbeelding 1: Werking van een ultrasone sensor. (Bron afbeelding: CUI Devices)

Door te meten hoe lang het duurt voor de tsjirp op een oppervlak weerkaatst wordt en weer terugkeert, vaak de "vluchttijd" (ToF) genoemd, kan de sensor bepalen hoe ver weg het object is. Gewoonlijk zijn de zender en de ontvanger dicht bij elkaar, maar het gebruik van echolocatie werkt ook wanneer de zender en de ontvanger gescheiden zijn. In sommige gevallen worden de zend- en ontvangstfuncties in één pakket gecombineerd; deze apparaten worden ultrasone zendontvangers genoemd.

Doordat ultrasone sensors gebruik maken van geluid in plaats van elektromagnetische golven, worden de meetwaarden niet beïnvloed door de kleur en de transparantie van een voorwerp. Ze hebben ook het voordeel dat ze geen licht produceren, waardoor ze ideaal zijn voor donkere omgevingen of zelfs omgevingen met veel licht. De geluidsgolven verspreiden zich in de tijd en over de afstand, zoals een rimpeling in het water, en deze verbreding van het detectiegebied, of het gezichtsveld (FoV), kan worden beschouwd als een sterkte of een zwakte, afhankelijk van de toepassing. Met een goede nauwkeurigheid, een vrij hoge vernieuwingsfrequentie en de mogelijkheid om honderden chirps per seconde uit te zenden, kunnen ultrasone naderingssensoren echter een kosteneffectieve, veelzijdige en veilige oplossing bieden.

Een fundamenteel nadeel van ultrasone sensoren is dat veranderende luchttemperaturen de snelheid van de geluidsgolf beïnvloeden, waardoor de nauwkeurigheid van de metingen afneemt. Dit kan echter worden gecompenseerd door de temperatuur over de afstand tussen de zender en de ontvanger te meten en de berekeningen dienovereenkomstig aan te passen. Andere beperkingen zijn het feit dat het onmogelijk is ultrasone sensors te gebruiken in een vacuüm, waar geen lucht is om het geluid door te zenden. Zachte materialen weerkaatsen het geluid ook niet zo efficiënt als harde oppervlakken, wat de nauwkeurigheid kan beïnvloeden. Tenslotte, hoewel de ultrasone sensortechnologie een soortgelijk concept als sonar volgt, werkt zij niet onder water.

Foto-elektrisch

Voor de detectie van de aan- of afwezigheid van een voorwerp zijn foto-elektrische sensors een praktische optie. Zij zijn gewoonlijk gebaseerd op infrarood, met als typische toepassingen sensors voor garagedeuren of het tellen van personen in winkels, hoewel zij ook geschikt zijn voor een breed scala van andere industriële toepassingen.

Er zijn verschillende manieren om foto-elektrische sensors te implementeren (Afbeelding 2). Through-beam maakt gebruik van een zender aan één kant van een voorwerp met een detector aan de andere kant. Als de straal breekt, betekent dit dat er een voorwerp aanwezig is. Bij een retroreflecterende uitvoering bevinden zender en detector zich bij elkaar, terwijl de reflector er tegenover staat. Ook bij de diffuse-opstelling bevinden zender en detector zich op dezelfde plaats, maar in plaats daarvan weerkaatst het uitgezonden licht op elk gedetecteerd voorwerp. Met deze opstelling is het niet mogelijk afstand te meten.

Schema van foto-elektrische sensors: zender-ontvanger, retroreflectief, en diffuse reflectiefAfbeelding 2: Foto-elektrische sensors - through-beam, retroreflectief en diffuse reflectie. (Bron afbeelding: CUI Devices)

Door een foto-elektrische sensor in de zender-ontvanger of in de retroreflecterende configuratie te plaatsen, is hij geschikt voor toepassingen die een groot detectiebereik met een lage latentie vereisen. Aangezien zij echter zorgvuldig moeten worden gemonteerd en uitgelijnd, kan de installatie van systemen in drukke omgevingen een uitdaging vormen. Implementaties van het diffuse type zijn meer geschikt voor het detecteren van kleine objecten en kunnen ook mobiele detectors zijn.

Foto-elektrische sensors kunnen worden gebruikt in vuile omgevingen, vaak in industriële omgevingen, en hebben doorgaans een langere levensduur dan andere alternatieven, omdat ze geen bewegende delen hebben. Zolang de lens wordt beschermd en schoongehouden, blijven de prestaties van de sensors behouden. Hoewel zij de meeste voorwerpen kunnen waarnemen, kunnen er problemen ontstaan voor transparante en reflecterende oppervlakken en water. Andere beperkingen zijn een nauwkeurige afstandsberekening en, afhankelijk van de optische bron, de detectie van voorwerpen met een specifieke kleur, bijvoorbeeld rood bij gebruik van IR.

Laserafstandsmeters

Laser range finding (LRF), van oudsher een dure optie, is de laatste tijd voor veel toepassingen een meer levensvatbare oplossing geworden. De high-power sensors werken volgens hetzelfde principe als ultrasone sensors, maar gebruiken een laserstraal in plaats van geluidsgolven.

Omdat fotonen met zo'n hoge snelheid reizen, kan het moeilijk zijn de ToF nauwkeurig te berekenen. Hier kunnen technieken zoals interferometrie helpen om de nauwkeurigheid te handhaven en tegelijk de kosten te drukken (Afbeelding 3). Een ander voordeel van laserafstandssensors is dat zij, door het gebruik van de elektromagnetische straal, gewoonlijk een ongelooflijk groot bereik hebben (tot duizenden voet) en dat de reactietijd minimaal is.

Schema van de uitvoering van een laserafstandsensor met interferometrieAfbeelding 3: Toepassing van laserafstandssensors met behulp van interferometrie. (Bron afbeelding: CUI Devices)

Ondanks de ultralage latentie en de reikwijdte van deze sensoren, hebben zij hun eigen beperkingen. De lasers verbruiken veel energie, wat betekent dat ze niet geschikt zijn voor batterijgevoede of draagbare toepassingen, en er zijn veiligheidsproblemen in verband met de gezondheid van de ogen. Een andere overweging is dat het gezichtsveld ook relatief smal is, en net als bij foto-elektrische sensors werken ze niet goed bij water of glas. Hoewel de prijs voor dit soort technologie daalt, is het ook nog steeds een van de duurste opties die beschikbaar zijn.

Inductief

Inductieve sensors bestaan al vele jaren, maar ze worden steeds gangbaarder. In tegenstelling tot de andere technologieën voor nabijheidsdetectie, werken ze echter alleen met metalen objecten, aangezien ze een magnetisch veld gebruiken voor detectie (Afbeelding 4). Een typische toepassing zou een metaaldetector zijn.

Schema van de werking van een inductieve sensorAfbeelding 4: Hoe een inductieve sensor werkt, (Bron afbeelding: CUI Devices)

Het detectiebereik kan variëren, afhankelijk van hoe de sensor is ingesteld. Een toepassing op korte afstand zou kunnen zijn om tandwielomwentelingen te tellen door te detecteren wanneer een tandwieltand zich naast de sensor bevindt. Langere toepassingen zouden erin kunnen bestaan voertuigen te tellen door inductieve sensoren in een wegdek in te bouwen of zelfs de extreme afstand aan te tonen waarover de sensors kunnen werken - om ruimteplasma te detecteren. Als nabijheidssensor worden inductieve sensors meestal gebruikt voor toepassingen met een zeer korte reikwijdte en kunnen zij extreem snelle vernieuwingsfrequenties bieden, omdat zij gebaseerd zijn op het principe van het detecteren van verschillen in elektromagnetische velden. Zij presteren ook beter bij ijzerhoudende materialen, zoals ijzer en staal.

Inductieve sensors bieden een kosteneffectieve oplossing over een enorm bereik. Er moet echter rekening worden gehouden met de beperkingen van de materialen die zij kunnen waarnemen en met het feit dat zij gevoelig zijn voor een breed scala van interferentiebronnen.

Conclusie

Wanneer alle implementatie-uitdagingen voor nabijheidsdetectie in aanmerking worden genomen, zijn ultrasone sensors vaak de beste algemene technologie (Afbeelding 5). Hun lage kostprijs, hun vermogen om de aanwezigheid van een voorwerp te detecteren, de afstand ervan nauwkeurig te berekenen en hun gebruiksgemak zijn de winnende attributen.

Vergelijkingstabel van de vier nabijheidssensortechnologieënAfbeelding 5: Vergelijking van de vier nabijheidssensortechnologieën (Bron afbeelding: CUI Devices)

Voor meer informatie over ultrasone sensors van CUI Devices, ga naar: Ultrasone sensors van CUI Devices

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.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Jeff Smoot, VP van Apps Engineering and Motion Control bij CUI Devices

Artikel geleverd door Jeff Smoot van CUI Devices.