Датчики приближения:обзор различных технологий

Узнайте, как сравниваются четыре различных типа датчиков приближения:ультразвуковые, фотоэлектрические, лазерные дальномеры и индуктивные датчики.

Наиболее часто используемые в качестве бесконтактного метода для обеспечения либо простого обнаружения объекта, либо точного измерения расстояния до объекта, в настоящее время существует множество технологий, которые подпадают под иерархию датчиков приближения, каждая из которых предлагает различные принципы работы, сильные стороны и недостатки.

Однако, имея такое разнообразие доступных опций, как инженер выбирает технологию, наиболее подходящую для его конструкции?

Чтобы помочь дизайнерам в этом процессе, в этой статье будут обсуждаться четыре из самых популярных технологий датчиков приближения, которые реально подходят для портативных или небольших стационарных встроенных систем и подходят для умеренных диапазонов обнаружения от нескольких дюймов до десятков футов:

• Ультразвуковой
• Фотоэлектрический
• Лазерный дальномер
• Индуктивные датчики

Емкостные датчики и датчики на эффекте Холла - это две другие популярные технологии датчиков приближения, которые здесь не рассматриваются из-за их обычно ограниченного использования в сценариях обнаружения на очень близком расстоянии.

Прежде чем углубляться в каждую из четырех технологий, выделенных выше, важно отметить, что никакая технология датчиков приближения не может предложить универсальное решение для каждого приложения и предполагаемого использования. При выборе технологии датчика приближения необходимо учитывать множество факторов, таких как стоимость, дальность обнаружения, размер упаковки, частота обновления и влияние материалов.

Понимание того, где каждая технология попадает в спектр этих различных факторов и какие из них являются наиболее важными для конечного приложения, будет ключом к правильному выбору.

Ультразвуковая технология

Ультразвуковые датчики генерируют ультразвуковые импульсы звука и измеряют время, необходимое для того, чтобы этот импульс отразился от объекта и вернулся. Их можно использовать для расчета расстояния до указанного объекта или просто для обнаружения его присутствия.

Реализация ультразвукового датчика может использовать либо отдельные модули передатчика и приемника, в которых передатчик излучает щебетание, а приемник его обнаруживает, либо функции передачи и приема могут быть объединены в один модуль, известный как ультразвуковой приемопередатчик. В реализациях, где используются отдельные модули передатчика и приемника, они обычно располагаются как можно ближе друг к другу для обеспечения максимальной точности.

Рисунок 1. Общее внедрение ультразвуковой техники

Благодаря своей простой конструкции ультразвуковые датчики представляют собой недорогой вариант с рядом преимуществ, которые делают их подходящими для широкого круга приложений. Ультразвуковые датчики способны отправлять сотни импульсов в секунду и обладают высокой точностью и высокой частотой обновления.

Поскольку ультразвуковые датчики основаны на звуке, а не на электромагнитных волнах, цвет и прозрачность объектов, а также работа в светлой или темной среде не влияют на точность или работу. Кроме того, по мере того, как звуковые волны распространяются со временем, их область обнаружения увеличивается, что может быть сильной или слабой стороной в зависимости от требований проекта.

Хотя на звук не влияют свет или темнота, на скорость звука влияют изменения температуры воздуха. Любые резкие изменения этой температуры могут сильно повлиять на точность ультразвуковых датчиков. Это можно компенсировать измерением температуры, чтобы обновить любые расчеты, но это все еще ограничение технологии.

Эти звуковые волны также могут быть ограничены мягкими или абсорбирующими материалами, которые не позволяют звуку отражаться так же эффективно. Наконец, ультразвуковые датчики не предназначены для использования под водой, и их зависимость от звуковых волн означает, что они не работают в вакууме, где нет среды для передачи звука. В блоге CUI Devices "Основы ультразвуковых датчиков" эта технология рассматривается более подробно.

Фотоэлектрические технологии

Наиболее эффективные для обнаружения отсутствия или присутствия фотоэлектрические датчики широко известны благодаря их использованию в датчиках гаражных ворот или подсчете посетителей в магазинах, а также в других промышленных, жилых и коммерческих целях. Без движущихся частей фотоэлектрические датчики обычно имеют длительный жизненный цикл. Они могут чувствовать большинство материалов, но прозрачные объекты или вода могут вызвать проблемы.

Они предлагают несколько различных реализаций:на пересечение луча, на световозвращение и на диффузное отражение.

Реализация сквозного луча (рис. 2) - это то, что можно было бы узнать как упомянутый выше датчик гаражных ворот с передатчиком и приемником, расположенными напротив друг друга. Любой разрыв луча между этими двумя точками указывает датчику на присутствие объекта.

Рисунок 2. Реализация сквозного луча

Световозвращающий (рис. 3) размещает передатчик и приемник рядом друг с другом, а ретрорефлектор, расположенный напротив, отражает луч от передатчика к приемнику.

Рисунок 3. Световозвращающая реализация

Диффузное отражение (рис. 4) работает аналогично световозвращающему, но вместо того, чтобы отражать лучи от отражателя, оно отражает луч от любого ближайшего объекта, как ультразвуковые датчики. Однако в этой реализации нет возможности вычислять расстояние.

Рисунок 4. Реализация диффузного отражения

Различные реализации также имеют свои преимущества, так как световозвращающие и световозвращающие обеспечивают большие дальности обнаружения и быстрое время отклика, в то время как диффузное отражение хорошо обнаруживает небольшие объекты. Фотоэлектрические датчики также являются надежным решением, обычно используемым в промышленных условиях, если линзы не загрязнены. С учетом сказанного, вычисление расстояния - это практически не имеющаяся у фотоэлектрических датчиков возможность, и цвет объекта, а также отражательная способность могут вызвать проблемы.

Различные фотоэлектрические реализации также требуют тщательного монтажа и юстировки, что может привести к дополнительным проблемам в сложных системах.

Технология лазерного дальномера

Используя электромагнитные лучи, а не звуковые волны, лазерные дальномеры работают по тем же принципам, что и ультразвуковые датчики. Хотя в последние годы эта технология стала более экономически выгодной, она по-прежнему является гораздо более дорогим вариантом по сравнению с ультразвуковыми и другими технологиями.

Технология лазерного дальномера действительно имеет чрезвычайно большую дальность обнаружения до сотен или тысяч футов, а также быстрое время отклика. Из-за того, что скорость света намного превышает скорость звука, измерения времени полета могут быть проблемой для датчиков лазерного дальномера. Именно здесь можно использовать такие реализации, как интерферометрия, для снижения затрат и повышения точности.

Рисунок 5. Типовая установка лазерного дальномера для интерферометрии

Как упоминалось ранее, лазерный дальномер - безусловно, самая дорогостоящая технология, обсуждаемая в этой статье, что делает ее менее приемлемой для многих инженеров. Лазеры, используемые в этой сенсорной технологии, также потребляют много энергии, что ограничивает их использование в портативных приложениях, а также подвергает пользователей потенциальным рискам для безопасности глаз.

В зависимости от предполагаемого применения относительно сфокусированная зона восприятия лазера и отсутствие дисперсии можно рассматривать как преимущество или ограничение. Лазерные дальномеры также не работают с водой или стеклом.

Индуктивная технология

Индуктивные датчики, основанные на более старом принципе работы, в последнее время получили более широкое распространение. Однако, в отличие от трех других технологий, рассмотренных до сих пор, индукционная технология подходит только для металлических предметов.

Индуктивные датчики работают, обнаруживая изменения в его магнитном поле, когда металлические объекты попадают в зону его действия. Это основной принцип работы любого металлоискателя.

Рисунок 6. Индуктивные датчики используются для обнаружения металлических предметов

Помимо обычных металлодетекторов, индуктивные датчики имеют широкий диапазон обнаружения, обычно от миллиметров до метров. Это может включать приложения с близкого расстояния, такие как подсчет оборотов шестерен, или реализации с большим радиусом действия, такие как обнаружение транспортных средств на дорогах.

Они лучше всего работают с черными металлами (например, с железом и сталью), но все же могут обнаруживать немагнитные объекты с уменьшенным диапазоном обнаружения. Индуктивные датчики также могут похвастаться чрезвычайно высокой частотой обновления, простым управлением и гибкостью с точки зрения дальности обнаружения. Однако в конечном итоге они ограничены тем, что могут ощущать, и подвержены помехам из различных источников.

Заключение

При выборе технологии датчика приближения необходимо учитывать множество факторов. Понимание преимуществ и недостатков различных технологий, обсуждаемых в этой статье, может облегчить этот процесс выбора.

Таблица 1. Матричное сравнение охватываемых датчиков приближения по стоимости, дальности, размеру, частоте обновления и влиянию материала .

Хотя каждая технология имеет наиболее подходящее применение, ультразвуковые датчики часто являются хорошим общим выбором из-за их низкой стоимости, способности обнаруживать присутствие и расстояние и, как правило, простой реализации. Вот почему ультразвуковые датчики используются в таком широком спектре конструкций, продолжая находить новые применения и применения.

Отраслевые статьи - это форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного контента. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.