Tervezési szempontok közelségérzékelő technológiák kiválasztásakor

Számos korszerű közelségérzékelő technológia létezik, amelyek mindegyike egyéni működési sajátosságokkal rendelkezik, és erősségeikben is eltérnek egymástól, amikor az irány, a távolság vagy a közelség meghatározásáról van szó. Ez a cikk ezen kompakt, rögzített, beágyazott rendszerek négy lehetséges változatát és azok alapvető működési elvét vázolja fel, hogy a mérnökök könnyebben eldönthessék, melyiket válasszák a saját tervezési követelményeiktől függően.

A közelségérzékelők lehetővé teszik tárgyak jelenlétének és távolságának pontos érzékelését bármilyen fizikai érintkezés nélkül. A szenzor elektromágneses mezőt, fényt vagy ultrahang-hullámot bocsát ki, amely vagy visszaverődik egy tárgyról, vagy áthalad rajta, és visszatér az érzékelőhöz. A közelségérzékelők jelentős előnye a hagyományos végálláskapcsolókkal szemben, hogy tartósabbak és hosszabb élettartamúak, mivel nem rendelkeznek mechanikus alkatrészekkel.

Egy-egy adott alkalmazáshoz ideális közelségérzékelő technológia kiválasztásakor figyelembe kell venni az alkatrész árát, hatótávolságát, méretét, frissítési sebességet vagy késleltetést és az anyaghatást, valamint a tervezés szempontjából legfontosabb szempontokat.

Ultrahangos

Ahogy a neve is mutatja, az ultrahangos közelségérzékelők ultrahang-impulzusokat, úgynevezett "ciripelést" bocsátanak ki a tárgy jelenlétének érzékelésére, ami ezen kívül a tárgytól való távolság kiszámítására is használható. Egy adóból és egy vevőből állnak, és működésük a visszavert hang segítségével történő helymeghatározásra, vagy más néven echolokációra épül (1. ábra).

1. ábra: Az ultrahangos érzékelő működési elve. (Kép: Same Sky)

Azzal, hogy az érzékelő megméri, mennyi idő alatt verődik és tér vissza a ciripelt hang egy felületről, amit gyakran „repülési időnek” (time of flight, ToF) neveznek, meg tudja határozni, milyen messze van az objektum. Általában az adó és a vevő egymás közelében van, de az echolokáció akkor is működik, ha az adó és a vevő külön van. Egyes esetekben az adó- és vevő elemek egyetlen tokban vannak elhelyezve, és ekkor ezeket az alkatrészeket ultrahangos adó-vevőknek nevezik.

Mivel elektromágneses hullámok helyett hangot használnak, az ultrahangos érzékelők működését nem befolyásolja sem a tárgyak színe sem azok átlátszósága. További előnyük, hogy nem bocsátanak ki fényt, ami egyaránt ideálissá teszi őket a sötét, de akár a fényesen megvilágított környezetekben való használatra is. Hasonlóan a víz hullámzásához, a hanghullámok is az idő és a távolság függvényében terjednek, kiszélesednek, és az érzékelési területnek, vagyis a látómezőnek (field of view, FoV) ez a kiszélesedése az alkalmazástól függően erősségnek vagy hátránynak tekinthető. Jó pontossággal, elég magas frissítési sebességgel és másodpercenkénti több száz leadott ciripeléssel azonban az ultrahangos közelségérzékelők költséghatékony, sokoldalú és biztonságos megoldás lehetnek.

Az ultrahangos érzékelők egyik alapvető hátránya, hogy a levegő hőmérsékletének változása befolyásolja a hanghullám terjedési sebességét, ami csökkenti a mérések pontosságát. Ez azonban ellensúlyozható az adó és a vevő közötti távolságon belüli hőmérsékletkülönbség mérésével, és a számítások ennek megfelelő módosításával. További korlátuk, hogy vákuumban nem lehet ultrahangos érzékelőket használni, mivel nincs levegő, ami lehetővé tenné a hang terjedését. A puha anyagok sem verik vissza olyan jól a hangot, mint a kemény felületek, és ez befolyásolhatja a pontosságot. Végezetül, bár az ultrahangos érzékelési technológia a szonár működési elvéhez hasonló, ezek az érzékelők mégsem működnek víz alatt.

Fotoelektromos

Egy tárgy jelenlétének vagy hiányának érzékelésére fotoelektromos érzékelőket használni praktikus megoldás. Ezek általában infravörös alapúak, és tipikusan garázskapuk érzékelőiként vagy boltokban lévő személyek számlálása használják őket, de számos más helyen is alkalmazzák őket az iparban.

A fotoelektromos alapú érzékelés többféleképpen is megvalósítható (2. ábra). Fénysorompós kialakítás esetén a fénysugárzó elem (emitter) a tárgy egyik oldalán, míg az észlelő (detektor) annak másik oldalán, azzal szemben található. A megszakadt nyaláb jelzi egy tárgy jelenlétét. A retroreflektív módszerél az emitter és a detektor azonos oldalon található, míg a fényvisszaerő (reflektor) velük szemben van. Ehhez hasonlóan, az emitter és a detektor a diffúz elrendezésben is azonos oldalon található, de a kibocsátott fény visszaverődik az érzékelt tárgyakról. Egy ilyen kialakítás esetén a távolság nem mérhető.

2. ábra: Fotoelektromos érzékelők - fénysorompós, retroreflektív és diffúz-reflektív. (Kép: Same Sky)

A fénysorompós vagy retroreflektív elrendezésű fotoelektromos érzékelők olyan esetekben alkalmasak, amikor nagy érzékelési tartományra van szükség, alacsony késleltetéssel. Mivel azonban felszerelésük és beállításuk körültekintést és alaposságot igényel, az ilyen rendszerek telepítése zsúfolt és forgalmas környezetekben komoly kihívást jelenthet. A diffúz típusú megvalósítások a kis tárgyak észlelésére alkalmasabbak, és mobil detektorok is lehetnek.

A fotoelektromos érzékelőberendezések az ipari alkalmazásokra jellemző gyakran piszkos környezetekben is használhatók, és mivel nem rendelkeznek mozgó alkatrészekkel, élettartamuk is jellemzően hosszabb más alternatíváknál. Amíg a lencse védve van, és azt tisztán tartják, az érzékelők működőképessége is megmarad. Bár képesek a legtöbb tárgy érzékelésére, az átlátszó és fényvisszaverő felületek, valamint a víz esetében problémák merülhetnek fel. További korlátaik közé tartozik a pontos távolságszámítás, és az optikai fényforrástól függően a meghatározott színű objektumok érzékelése, például a vörös színűeké infravörös fény használata esetén.

Lézeres távolságmérők

A lézeres távolságmérés (laser range finding, LRF) napjainkra számos alkalmazásban egyre életképesebb megoldássá vált. A nagy teljesítményű érzékelők ugyanazon az elven működnek, mint az ultrahangos érzékelők, de működésük a hanghullámok helyett lézersugarakra épül.

Mivel a fotonok nagy sebességgel haladnak, a repülési idő (ToF) pontos kiszámítása nehéz lehet. Itt különböző módszerekre, például az interferometriára lehet hagyatkozni a pontosság fenntartása és a költségek csökkentése érdekében (3. ábra). A lézeres távolságmérésen alapuló érzékelők másik előnye, hogy mivel működésükhöz elektromágneses sugarat használnak, ezért hatótávolságuk általában hihetetlenül nagy (akár több ezer méter) minimális válaszidő mellett.

3. ábra: Lézeres távolságmérő szenzor megvalósítása interferometriával. (Kép: Same Sky)

Rendkívül alacsony késési illetve nagy hatótávolsági képességeik ellenére ezeknek az érzékelőknek is megvannak a maguk korlátai. A lézerek nagy energiaigényűek, ami azt jelenti, hogy nem alkalmasak akkumulátoros vagy hordozható alkalmazásokhoz, és a szemkárosodás veszélyével kapcsolatos biztonsági szempontokat is figyelembe kell venni. Egy másik szempont, hogy a látószögük (FoV) is viszonylag szűk, és a fotoelektromos érzékelőkhöz hasonlóan ezek sem működnek jól víz vagy üveg esetén. Annak ellenére, hogy az ilyen típusú technológia ára egyre csökken, még mindig ez az egyik legdrágább elérhető lehetőség.

Induktív

Az induktív érzékelők már évek óta léteznek, de mostanában egyre inkább elterjedőben vannak. Ezek a többi közelségérzékelő technológiától eltérően azonban csak fémtárgyakkal működnek, mivel mágneses mezőt használnak az érzékeléshez (4. ábra). Tipikus alkalmazási példa a fémdetektorokban történő használatuk.

4. ábra: Egy induktív érzékelő működése (Kép: Same Sky)

Az érzékelési tartomány (vagyis a hatótáv) az érzékelő beállításától függően változhat. A rövid hatótávolság például fogaskerekek fordulatszámának mérésekor hasznosítható, mert érzékelni tudják, amikor egy fogaskerék foga az érzékelő előtt van. Az útfelületbe ágyazott hosszabb hatótávú induktív érzékelőkkel például járművek számlálhatók, de – az extrém távolságokon való működésük demonstrálására – akár az űrplazma észlelése is használhatók. Az induktív érzékelőket közelségérzékelőként általában nagyon kis hatótávolságú alkalmazásokhoz használják, és rendkívül gyors frissítési sebességet biztosítanak, mivel működésük az elektromágneses mezők változásának érzékelésén alapul. A vastartalmú anyagok, például a vas és az acél esetében is jobban teljesítenek.

Az induktív érzékelők hatalmas tartományon belül kínálnak költséghatékony megoldást. Figyelembe kell azonban venni, hogy az általuk érzékelhető anyagok száma korlátozott, valamint azt is, hogy sokféle interferenciaforrásra érzékenyek.

Összegzés

Ha figyelembe vesszük a közelségérzékeléssel járó összes megvalósítási kihívást, gyakran az ultrahangos érzékelők jelentik a legjobb általános technológiát (5. ábra). Nyerő tulajdonságaik az olcsóságuk és egyszerű használatuk, valamint az, hogy képesek érzékelni egy tárgy jelenlétét és pontosan kiszámítani a tőle való távolságot.

5. ábra: A négy közelségérzékelő technológia összehasonlítása (Kép: CUI Devices)

A CUI Devices ultrahangos érzékelőivel kapcsolatos további információkért látogasson el a CUI Devices ultrahangos érzékelőinek weboldalára.