Zagadnienia projektowe dotyczące wyboru technologii czujnika zbliżeniowego

Istnieje kilka wiodących technologii czujników zbliżeniowych. Każda z nich ma bardzo różne standardy działania i zalety, jeśli chodzi o detekcję, odległość i bliskość. W niniejszym artykule przedstawiono cztery możliwe opcje kompaktowych, stacjonarnych systemów wbudowanych oraz ich podstawowe zasady działania, aby pomóc inżynierom z wyborem w zależności od wymagań projektowych.

Czujniki zbliżeniowe zapewniają dokładną metodę wykrywania obecności obiektu i pomiaru jego odległości bez fizycznego kontaktu. Czujnik emituje pole elektromagnetyczne, światło lub fale ultradźwiękowe, które odbijają się od obiektu lub przechodzą przez niego i powracają do czujnika. Istotną zaletą czujników zbliżeniowych w porównaniu z konwencjonalnymi wyłącznikami krańcowymi jest ich większa trwałość i dłuższy okres eksploatacji, ponieważ nie zawierają części mechanicznych.

W poszukiwaniach idealnej technologii czujników zbliżeniowych dla konkretnego zastosowania należy wziąć pod uwagę koszt, zasięg, rozmiar, częstotliwość odświeżania lub latencję oraz wpływ materiału i nadać tym czynnikom odpowiedni priorytet w kontekście projektu.

Ultradźwiękowe

Jak sama nazwa wskazuje, ultradźwiękowe czujniki zbliżeniowe emitują impuls ultradźwiękowy, zwany „ćwierknięciem” w celu wykrycia obiektu, mogą służyć również do obliczania odległości do obiektu. Składają się z nadajnika i odbiornika, a ich działanie opiera się na zasadach echolokacji (ilustracja 1).

Ilustracja 1: zasada działania czujnika ultradźwiękowego. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Mierząc czas, w jakim ćwierkanie odbija się od powierzchni i powraca, często definiowany jako „czas przelotu” (ToF), czujnik może określić, jak daleko znajduje się obiekt. Zwykle nadajnik i odbiornik znajdują się blisko siebie, ale jeśli nadajnik i odbiornik zostaną od siebie odsunięte, zasada echolokacji będzie nadal działać. W niektórych przypadkach funkcje nadawania i odbioru są łączone w jednym urządzeniu. Urządzenia takie znane są jako nadajniko-odbiorniki ultradźwiękowe.

Dzięki wykorzystaniu dźwięku zamiast fal elektromagnetycznych na odczyty czujnika ultradźwiękowego nie wpływa kolor ani przezroczystość obiektu. Czujniki tego rodzaju mają również tę dodatkową zaletę, że nie wytwarzają światła, co czyni je idealnymi do miejsc ciemnych, a nawet jasno oświetlonych. Fale dźwiękowe rozchodzą się z upływem czasu w przestrzeni, podobnie jak zmarszczki na wodzie. Takie rozszerzanie obszaru detekcji lub pola widzenia (FoV) można uznać za mocną lub słabą stronę w zależności od zastosowania. Jednak przy dobrym poziomie dokładności, dość wysokiej częstotliwości odświeżania i możliwości przesyłania setek sygnałów dźwiękowych na sekundę, ultradźwiękowe czujniki zbliżeniowe mogą stanowić ekonomiczne, wszechstronne i bezpieczne rozwiązanie.

Podstawową wadą czujników ultradźwiękowych jest podatność prędkości fali dźwiękowej na zmiany temperatury powietrza, co zmniejsza dokładność pomiarów. Można ten problem jednak zrównoważyć, mierząc temperaturę na całej odległości między nadajnikiem a odbiornikiem i odpowiednio korygując obliczenia. Innym ograniczeniem jest fakt, że czujników ultradźwiękowych nie można używać w próżni, w której nie ma powietrza przenoszącego dźwięk. Oprócz tego miękkie materiały nie odbijają dźwięku tak skutecznie, jak twarde, co może mieć wpływ na dokładność. Wreszcie, chociaż czujniki ultradźwiękowe działają na podobnej zasadzie co sonary, nie działają one pod wodą.

Fotoelektryczne

Do wykrywania obiektu lub jego braku praktyczną opcją są czujniki fotoelektryczne. Są one zwykle oparte na podczerwieni i zazwyczaj znajdują zastosowanie np. jako czujniki drzwi garażowych lub do liczenia osób w sklepach, chociaż nadają się do wielu innych zastosowań przemysłowych.

Istnieje kilka sposobów implementacji czujników fotoelektrycznych (ilustracja 2). W jednym układzie emiter generuje wiązkę po jednej stronie obiektu, a detektor wykrywa ją po drugiej stronie. Jeśli wiązka zostanie przerwana, oznacza to, że obiekt jest obecny. W układzie retrorefleksyjnym zasada działania jest taka, że emiter i detektor są umieszczone razem, a naprzeciwko znajduje się reflektor. W układzie dyfuzyjnym emiter i detektor podobnie są umieszczone wspólnie, ale zamiast tego emitowane światło odbija się od każdego wykrywanego obiektu. Taka konfiguracja nie umożliwia pomiaru odległości.

Ilustracja 2: czujniki fotoelektryczne - z wiązką przechodzącą, typu retrorefleksyjnego i dyfuzyjnego. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Ustawienie czujników fotoelektrycznych w konfiguracji z wiązką przechodzącą lub w układzie retrorefleksyjnym sprawia, że nadają się one do zastosowań wymagających rozszerzonego zasięgu wykrywania z małym opóźnieniem. Jednak ze względu na konieczność starannego montażu i wyrównania instalacja takiego układu w ruchliwych środowiskach może być trudna. Implementacje typu dyfuzyjnego są bardziej odpowiednie do wykrywania małych obiektów i mogą dobrze sprawdzać się w czujnikach mobilnych.

Takie konfiguracje czujników fotoelektrycznych mogą być używane w zanieczyszczonych środowiskach, często spotykanych w warunkach przemysłowych. Zazwyczaj oferują one dłuższy okres użytkowania niż inne alternatywy, ponieważ nie mają ruchomych części. Działanie czujników będzie zapewnione, dopóki soczewka będzie chroniona i utrzymywana w czystości. Chociaż czujniki mogą wykrywać większość obiektów, w przypadku przezroczystych i odblaskowych powierzchni oraz wody mogą występować pewne problemy. Innym ograniczeniem jest np. dokładne obliczanie odległości. W zależności od źródła optycznego, wykrywanie obiektów o określonym kolorze, na przykład czerwonym, jeśli używa się podczerwieni.

Dalmierze laserowe

Laserowy pomiar odległości (LRF) będący dawniej kosztowną opcją stał się ostatnio bardziej realnym rozwiązaniem dla wielu zastosowań. Czujniki dużej mocy działają na tej samej zasadzie co czujniki ultradźwiękowe, ale zamiast fal dźwiękowych wykorzystują wiązkę lasera.

Ze względu na to, że fotony przemieszczają się z tak dużą prędkością, dokładne obliczenie czasu przelotu (ToF) może być trudne. W utrzymaniu dokładności przy jednoczesnym zmniejszeniu kosztów (ilustracja 3) mogą pomóc metody, takie jak interferometria. Kolejną zaletą dalmierzy laserowych jest to, że ze względu na wykorzystanie wiązki elektromagnetycznej mają one zwykle niesamowicie duży zasięg (do tysięcy metrów), a czas odpowiedzi jest minimalny.

Ilustracja 3: realizacja czujnika w postaci dalmierza laserowego wykorzystującego interferometrię. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Pomimo bardzo niskiej latencji i dobrego zasięgu, czujniki te mają pewne ograniczenia. Lasery są energochłonne, co z kolei oznacza, że nie są odpowiednią opcją do rozwiązań zasilanych bateryjnie ani rozwiązań mobilnych, a ponadto należy wziąć pod uwagę kwestie bezpieczeństwa dotyczące zdrowia oczu. Inną kwestią jest to, że pole widzenia jest również stosunkowo wąskie. Podobnie jak w przypadku czujników fotoelektrycznych, nie działają one dobrze z wodą i szkłem. Pomimo coraz niższych cen tego typu technologii, jest to nadal jedna z najdroższych dostępnych opcji.

Indukcyjne

Czujniki indukcyjne istnieją od wielu lat, ale coraz bardziej zyskują na popularności. Jednak w przeciwieństwie do innych technologii detekcji będą działać tylko z obiektami metalowymi, ponieważ do wykrywania używają pola magnetycznego (ilustracja 4). Typowym zastosowaniem jest wykrywacz metali.

Ilustracja 4: zasada działania czujnika indukcyjnego (źródło ilustracji: Same Sky)

Zasięg detekcji może się różnić w zależności od konfiguracji czujnika. Jednym z zastosowań krótkiego zasięgu może być zliczanie obrotów koła zębatego poprzez wykrywanie obecności zęba koła obok czujnika. Przykładem zastosowania o większym zasięgu może być zliczanie pojazdów poprzez osadzenie czujników indukcyjnych w nawierzchni drogi. Natomiast o ekstremalnym zasięgu działania tych czujników może świadczyć możliwość ich zastosowania do wykrywania kosmicznej plazmy. Czujniki indukcyjne jako czujniki zbliżeniowe zwykle znajdują zastosowanie przy bardzo małych odległościach i oferują niezwykle wysokie częstotliwości odświeżania, ponieważ są oparte na zasadzie wykrywania różnic w polach elektromagnetycznych. Działają również lepiej w przypadku materiałów żelaznych, takich jak żelazo i stal.

Czujniki indukcyjne stanowią ekonomiczne rozwiązanie w szerokim zakresie zastosowań. Należy jednak wziąć pod uwagę ograniczenia dotyczące tego, jakie materiały można nimi wykrywać, a także fakt, że są one podatne na wiele różnych źródeł zakłóceń.

Podsumowanie

Po uwzględnieniu wszystkich wyzwań związanych z wdrażaniem czujników zbliżeniowych, często finalnie najlepszą technologią okazują się czujniki ultradźwiękowe (ilustracja 5). Ich niski koszt, możliwość wykrywania obecności obiektów, precyzyjne obliczanie odległości i łatwość użycia to zwycięskie atrybuty.

Ilustracja 5: porównanie czterech technologii czujników zbliżeniowych (źródło ilustracji: Same Sky)

Więcej informacji na temat czujników ultradźwiękowych firmy Same Sky można znaleźć tutaj: Czujniki ultradźwiękowe firmy Same Sky