Jaké další technologie se používají v senzorech přiblížení?

I. Úvod do technologií snímačů přiblížení

Senzory přiblížení jsou základní zařízení, která slouží k detekci přítomnosti nebo nepřítomnosti objektu v určitém rozsahu bez fyzického kontaktu. Fungují tak, že vysílají různé formy energie - například elektromagnetické pole, zvukové vlny nebo světlo - a měří odezvu, když se objekt přiblíží k senzoru. Rozmanitost technologií senzorů přiblížení umožňuje jejich použití v mnoha oblastech, včetně průmyslové automatizace, robotiky, automobilových systémů a spotřební elektroniky.

II. Kapacitní senzory přiblížení

Klíčové vlastnosti kapacitních snímačů přiblížení

Kapacitní senzory přiblížení jsou univerzální zařízení, která detekují přítomnost objektů bez fyzického kontaktu. Zde jsou jejich klíčové vlastnosti:

• Rozsah detekce: Obvykle kapacitní snímače detekují objekty v rozsahu od několika milimetrů do přibližně 1 palce (25 mm), některé modely až do 2 palců.
• Citlivost materiálu: Tyto senzory mohou detekovat kovové i nekovové materiály, včetně kapalin, plastů a skla, a to díky své schopnosti snímat změny kapacity v závislosti na dielektrické konstantě cílového materiálu.
• Bezkontaktní provoz: Senzory pracují bez fyzického kontaktu, což snižuje jejich opotřebení a prodlužuje jejich životnost.
• Nastavitelná citlivost: Mnoho kapacitních senzorů obsahuje potenciometr pro nastavení citlivosti, který umožňuje uživatelům vyladit parametry detekce pro konkrétní aplikace.
• Indikátory LED: Většina modelů je vybavena LED indikátory, které vizuálně potvrzují provozní stav senzoru.

Princip fungování

Kapacitní senzory přiblížení fungují na principu změn kapacity způsobených blízkými objekty. Fungují takto:

1. Konstrukce: Senzor se skládá ze dvou kovových elektrod, které tvoří kondenzátor. Jedna elektroda je připojena k obvodu oscilátoru, zatímco druhá slouží jako referenční deska.
2. Změna kapacity: Když se objekt přiblíží k senzoru, vstoupí do elektrického pole vytvořeného mezi elektrodami. Tato přítomnost změní dielektrickou konstantu mezi deskami, což následně změní kapacitu systému.
3. Detekce oscilací: Obvod oscilátoru detekuje tyto změny kapacity. Jak se objekt přibližuje, kapacita se zvyšuje, což vede ke změně frekvence oscilací obvodu. Tento frekvenční posun je monitorován zesilovačem a převeden na binární výstupní signál indikující přítomnost objektu.
4. Výstupní signál: Když kmitání dosáhne určité prahové amplitudy, vyvolá to změnu výstupního stavu snímače. Naopak, když se objekt vzdálí, amplituda se sníží, čímž se výstup vrátí do původního stavu.
5. Úvahy o životním prostředí: Pro optimální výkon by kapacitní senzory měly být používány v prostředí se stabilní teplotou a vlhkostí, protože výkyvy mohou ovlivnit jejich citlivost a přesnost.

III. Ultrazvukové senzory přiblížení

Výhody ultrazvukových snímačů přiblížení

Ultrazvukové senzory přiblížení mají několik výhod, díky nimž jsou vhodné pro různé aplikace:

• Nezávislost na materiálu: Dokáží detekovat všechny typy materiálů, včetně lesklých, průhledných a nepravidelně tvarovaných objektů, aniž by byly ovlivněny barvou nebo strukturou povrchu objektu.
• Dlouhý detekční dosah: Ultrazvukové senzory mohou měřit na vzdálenost větší než 1 metr, takže jsou ideální pro aplikace vyžadující detekci na velkou vzdálenost.
• Robustní výkon v nepříznivých podmínkách: Tyto senzory nejsou ovlivňovány okolními vlivy, jako je prach, déšť nebo sníh, které mohou být překážkou pro jiné typy senzorů. Jejich provoz zůstává spolehlivý i v náročných podmínkách.
• Vysoká citlivost a přesnost: Ultrazvukové senzory poskytují přesná měření a jsou schopny detekovat malé objekty na velké vzdálenosti.
• Všestranné použití: Jsou široce používány v různých průmyslových odvětvích pro úlohy, jako je měření hladiny, detekce objektů a automatizované řízení procesů, což dokazuje jejich přizpůsobivost v různých scénářích.

Provozní mechanismus

Mechanismus činnosti ultrazvukových snímačů přiblížení je založen na vysílání a příjmu vysokofrekvenčních zvukových vln. Fungují takto:

1. Emise zvukových vln: Senzor vysílá ultrazvukové zvukové vlny (obvykle nad 20 kHz) směrem k cílovému objektu.
2. Reflexe: Zvukové vlny se šíří, dokud nenarazí na objekt a neodrazí se zpět ke snímači.
3. Měření času: Snímač měří dobu, za kterou se vysílané zvukové vlny vrátí po dopadu na objekt. Tento časový interval je rozhodující pro určení vzdálenosti k objektu.
4. Výpočet vzdálenosti: Pomocí vzorce Vzdálenost = (rychlost zvuku × čas) / 2 vypočítá senzor vzdálenost k objektu na základě rychlosti zvuku ve vzduchu (přibližně 343 metrů za sekundu při pokojové teplotě) a naměřeného času.
5. Generování výstupního signálu: Senzor po výpočtu vzdálenosti generuje výstupní signál, který ukazuje, zda se objekt nachází v předem stanoveném rozsahu, což umožňuje různé aplikace, jako je spuštění alarmu nebo ovládání strojů.

IV. Magnetické snímače přiblížení

Typy magnetických snímačů přiblížení

Magnetické snímače přiblížení lze rozdělit do několika typů podle principu jejich fungování a použití:

• Reed Switch: Jedná se o magneticky ovládaný spínač, který se skládá ze dvou feromagnetických jazýčků uzavřených ve skleněné kapsli. Když je přítomno magnetické pole, jazýčky se spojí a vytvoří elektrický obvod.
• Senzor s Hallovým jevem: Využívá principu Hallova jevu, kdy se na vodiči vytváří napětí, když je vystaven magnetickému poli. Tento snímač detekuje přítomnost magnetů a poskytuje odpovídající výstupní signál.
• Magnetostrikční senzor: Snímač: Měří polohu magnetického objektu pomocí magnetostrikčního efektu, který spočívá v tom, že změny magnetického pole ovlivňují vlastnosti materiálu.
• Magnetorezistivní senzor: Pracuje na základě magnetorezistivního jevu, kdy se elektrický odpor feromagnetického materiálu mění v reakci na vnější magnetické pole.
• Indukční magnetický snímač přiblížení: Podobný indukčnímu senzoru, ale speciálně navržený pro detekci magnetického pole, nikoli kovových předmětů. Využívají oscilační cívku k vytvoření magnetického pole a detekují změny, když se přiblíží permanentní magnet.

Funkčnost

Funkčnost magnetických snímačů přiblížení se odvíjí od jejich schopnosti detekovat magnetické pole a poskytovat odpovídající výstupní signály. Zde je popsáno, jak fungují:

1. Mechanismus detekce: Magnetické senzory přiblížení detekují přítomnost magnetických objektů (např. permanentních magnetů) na různých principech, včetně výše uvedených. Každý typ má svou jedinečnou metodu snímání:
   • Jazýčkové spínače sepnou kontakty, když jsou vystaveny magnetickému poli.
   • Senzory s Hallovým jevem generují napěťový signál v reakci na blízké magnety.
   • Magnetostrikční a magnetorezistivní senzory měří změny vlastností materiálu v důsledku magnetických vlivů.
2. Zpracování signálů: Snímač po detekci změny magnetického pole zpracuje tuto informaci a vytvoří výstupní signál. Tento signál může být digitální (zapnuto/vypnuto) nebo analogový, v závislosti na aplikaci a typu snímače.
3. Aktivace výstupu: Výstupní signál může spouštět různé akce, například aktivaci alarmů, ovládání motorů nebo zpětnou vazbu v automatizovaných systémech. Senzory se často používají v aplikacích, jako jsou bezpečnostní systémy (pro dveře a okna), průmyslová automatizace (detekce polohy) a spotřební elektronika.
4. Flexibilita instalace: Magnetické snímače přiblížení lze instalovat pod omítku nebo bez omítky v různých prostředích, včetně těch s nemagnetickými materiály, jako je plast nebo dřevo, což umožňuje univerzální použití v různých prostředích.

V. Optické senzory přiblížení （Fotoelektrické senzory）.

Principy fungování optických snímačů přiblížení

Optické senzory přiblížení pracují na základě využití světla k detekci přítomnosti nebo nepřítomnosti objektů v jejich detekčním rozsahu. Základní princip činnosti spočívá ve vysílání světla, obvykle v infračerveném nebo viditelném spektru, a měření světla odraženého od objektu. Zde je rozpis jejich fungování:

1. Světelné emise: Senzor vysílá paprsek světla směrem k cílovému objektu. Toto světlo může být generováno různými zdroji, včetně LED diod nebo laserů.
2. Detekce odrazu: Při setkání vyzařovaného světla s objektem se část světla odrazí zpět ke snímači. Množství a intenzita tohoto odraženého světla závisí na vzdálenosti a vlastnostech povrchu objektu.
3. Zpracování signálů: Přijímač senzoru detekuje odražené světlo. Pokud množství odraženého světla překročí určitou mez, snímač určí, že je přítomen objekt, a vygeneruje výstupní signál (buď digitální, nebo analogový) indikující detekci.
4. Měření vzdálenosti: U některých pokročilých optických senzorů lze měřit dobu, za kterou se světlo vrátí (v případě laserových senzorů), a vypočítat tak přesnou vzdálenost k objektu.

Díky této metodě jsou optické senzory přiblížení velmi účinné při bezdotykové detekci objektů, což je vhodné pro různé aplikace v automatizaci, zabezpečení a spotřební elektronice.

Různé typy optických snímačů přiblížení

Optické senzory přiblížení lze rozdělit do několika typů podle jejich konstrukce a principu fungování:

• Infračervené (IR) senzory: Tyto senzory vyzařují infračervené světlo a detekují změny odraženého infračerveného záření. Běžně se používají v aplikacích, jako jsou automatické dveře a bezpečnostní systémy.
• Laserové senzory: Tyto senzory využívají laserové paprsky a poskytují vysokou přesnost a schopnost detekce na velkou vzdálenost. Často se používají v průmyslových aplikacích vyžadujících přesné měření vzdálenosti.
• Fotoelektrické senzory: Tyto senzory se skládají ze zdroje světla (obvykle LED) a přijímače. Mohou pracovat v různých režimech:
  • Průchozí paprsek: Objekt přerušuje světelný paprsek.
  • Retroreflexní: Reflektor odráží vyzařované světlo zpět k přijímači.
  • Difuzní odrazivost: Snímač detekuje světlo odražené od objektu přímo před ním.
• Senzory s časem letu (ToF): Tyto pokročilé snímače měří dobu, za kterou světelný puls doletí k objektu a zpět, a umožňují tak přesné měření vzdálenosti.

VI. Senzory přiblížení s Hallovým jevem

Hlavní výhody Hallových snímačů přiblížení

Hallovy senzory přiblížení mají několik výhod, díky nimž jsou velmi efektivní pro různé aplikace:

• Bezkontaktní snímání: Tyto senzory detekují přítomnost magnetického pole bez fyzického kontaktu, čímž se snižuje opotřebení ve srovnání s mechanickými spínači.
• Odolnost: Hallovy senzory jsou polovodičová zařízení, což znamená, že jsou méně náchylné k mechanickému poškození a mohou pracovat v náročných podmínkách, včetně vystavení prachu, nečistotám a vlhkosti.
• Vysoká rychlost a citlivost: Díky rychlé reakci na změny magnetického pole jsou vhodné pro vysokorychlostní aplikace, jako je řízení motorů a snímání polohy.
• Všestranné použití: Hallovy senzory lze použít v široké škále aplikací, včetně automobilových systémů (např. snímače rychlosti kol), spotřební elektroniky (např. chytré telefony) a průmyslové automatizace (např. snímání přiblížení).
• Nízká spotřeba energie: Tyto senzory obvykle spotřebovávají méně energie než tradiční mechanické spínače, takže jsou ideální pro zařízení napájená z baterií.

Operační teorie

Teorie fungování bezdotykových senzorů s Hallovým jevem je založena na jevu Hallova jevu, který zahrnuje interakci mezi elektrickými proudy a magnetickými poli. Fungují takto:

1. Tok proudu: Snímač s Hallovým jevem se skládá z tenkého proužku vodivého materiálu (Hallův prvek), kterým protéká elektrický proud. Tento proud vytváří vlastní magnetické pole.
2. Interakce magnetického pole: Při působení vnějšího magnetického pole kolmo na směr proudu působí na nosiče náboje (elektrony nebo díry) ve vodivém materiálu síla (Lorentzova síla), která způsobuje, že se odchylují od své přímočaré dráhy.
3. Generování napětí: V důsledku této výchylky dochází ke koncentraci nosičů náboje na jedné straně Hallova prvku, což vytváří rozdíl napětí na protilehlých stranách pásku, známý jako Hallovo napětí. Velikost tohoto napětí je úměrná intenzitě magnetického pole.
4. Výstup signálu: Senzor měří toto Hallovo napětí a převádí ho na výstupní signál. V závislosti na konstrukci může být tento výstup analogový nebo digitální. Například v digitálních aplikacích se může senzor zapínat nebo vypínat na základě toho, zda magnetické pole překročí určitou mez.
5. Typy snímačů s Hallovým jevem: Senzory s Hallovým jevem lze podle jejich konfigurace rozdělit na:
   • Unipolární senzory: Aktivují se jednou polaritou magnetického pole.
   • Bipolární senzory: Reagují na obě polarity.
   • Omnipolární senzory: Mohou být aktivovány jak kladným, tak záporným magnetickým polem.

VIII. Indukční snímače přiblížení

Charakteristiky indukčních snímačů přiblížení

Indukční senzory přiblížení jsou specializovaná zařízení určená především k detekci kovových předmětů bez fyzického kontaktu. Zde jsou jejich klíčové vlastnosti:

• Bezkontaktní detekce: Senzory detekují kovové předměty, aniž by se jich musely dotýkat, což minimalizuje opotřebení senzoru i detekovaného předmětu.
• Citlivost na kov: Tyto senzory jsou citlivé zejména na feromagnetické materiály (jako je železo), ale v závislosti na konstrukci mohou detekovat i neželezné kovy (jako je hliník a měď).
• Rozsah detekce: Rozsah detekce se liší v závislosti na velikosti a typu kovového předmětu a obvykle se pohybuje od několika milimetrů do několika centimetrů.
• Robustnost: Indukční senzory jsou odolné a mohou pracovat v náročných podmínkách, včetně vystavení prachu, vlhkosti a extrémním teplotám.
• Vysoká rychlost: Mohou rychle přepínat stavy, takže jsou vhodné pro vysokorychlostní aplikace v automatizaci a výrobních procesech.
• Jednoduchá instalace: Indukční senzory přiblížení se často snadno instalují a integrují do stávajících systémů, přičemž jsou k dispozici různé možnosti montáže.

Provozní metoda

Způsob činnosti indukčních snímačů přiblížení je založen na principu elektromagnetické indukce. Zde je popsáno jejich fungování:

1. Obvod oscilátoru: Senzor obsahuje oscilační obvod, který generuje vysokofrekvenční střídavé elektromagnetické pole na snímací ploše. Toto elektromagnetické pole se šíří do okolí.
2. Generování vířivých proudů: Když se kovový předmět přiblíží k elektromagnetickému poli, indukuje v kovu vířivé proudy. Tyto proudy tečou uvnitř kovového předmětu v důsledku elektromagnetické indukce.
3. Změna amplitudy: Přítomnost těchto vířivých proudů způsobuje ztrátu energie v oscilačním obvodu, což vede ke snížení amplitudy kmitání. Čím blíže je kovový předmět, tím větší je ztráta energie a tím výraznější je pokles amplitudy kmitů.
4. Detekce signálu: Snímač obsahuje obvod detekce amplitudy, který sleduje změny stavu kmitání. Pokud amplituda klesne pod určitou mezní hodnotu v důsledku přítomnosti kovového předmětu, je tato změna detekována.
5. Generování výstupního signálu: Senzor pak tuto detekci převede na výstupní signál (obvykle binární signál), který indikuje, zda je objekt přítomen, či nikoli. Tento výstup lze použít ke spuštění dalších zařízení nebo procesů v automatizačním systému.

IX. Srovnání různých technologií senzorů přiblížení

A. Silné stránky a omezení

Typ senzoru	Silné stránky	Omezení
Induktivní	Vysoce spolehlivá detekce kovových předmětů Trvanlivé a odolné vůči drsným podmínkám Rychlá reakční doba	Omezeno na kovové cíle Citlivost na elektromagnetické rušení
Kapacitní	Dokáže detekovat kovové i nekovové předměty. Pracuje přes nekovové bariéry Nastavitelná citlivost	Kratší snímací rozsah ve srovnání s indukčními senzory Ovlivněno faktory prostředí (vlhkost, teplota)
Ultrazvuk	Bezkontaktní detekce různých materiálů Funguje v náročných podmínkách Dlouhý detekční dosah	Omezená účinnost ve vakuu Výkon může být ovlivněn strukturou objektu a pohlcováním zvuku.
Fotoelektrický	Všestrannost s různými konfiguracemi (průchozí paprsek, retroreflexní) Rychlá reakční doba Dokáže detekovat průhledné objekty	Složitost instalace u některých typů Výkon se může lišit v závislosti na barvě a odrazivosti objektu.
Laser	Vysoká přesnost a detekce na velkou vzdálenost Vhodné pro malé nebo vzdálené cíle	Vyšší náklady a spotřeba energie Bezpečnostní obavy při vystavení očí Omezený výkon u průhledných materiálů

B. Vhodné aplikace pro jednotlivé technologie

Vhodné aplikace pro každou technologii

• Indukční snímače přiblížení:
  • Běžně se používá v průmyslové automatizaci k detekci kovových dílů na dopravníkových pásech.
  • Ideální pro snímání polohy ve strojích a zařízeních.
• Kapacitní snímače přiblížení:
  • Vhodné pro detekci nekovových materiálů, jako jsou kapaliny, prášky a plasty.
  • Často se používají v balicích a potravinářských aplikacích a při měření výšky hladiny.
• Ultrazvukové senzory přiblížení:
  • Efektivní v aplikacích vyžadujících měření vzdálenosti, jako je snímání hladiny kapalin a detekce objektů v robotice.
  • Používá se v automobilových systémech pro asistenci při parkování.
• Fotoelektrické senzory přiblížení:
  • Široké využití v obalech, třídicích systémech a při manipulaci s materiálem.
  • Vhodné pro detekci průhledných předmětů nebo počítání položek na dopravním pásu.
• Laserové snímače přiblížení:
  • Používá se v aplikacích vyžadujících vysokou přesnost, jako jsou robotické polohovací a automatické kontrolní systémy.
  • Běžně se používá v logistice k měření vzdáleností nebo rozměrů zásilek.

Závěr: Různorodost technologií pro snímání blízkosti

Různorodost technologií snímání přiblížení odráží rozmanité požadavky moderních automatizačních a řídicích systémů. Každý typ snímače má jedinečné přednosti, díky nimž je vhodný pro konkrétní aplikace, a zároveň představuje omezení, která je třeba při výběru zohlednit. Indukční snímače vynikají v detekci kovů, zatímco kapacitní snímače nabízejí univerzální použití s různými materiály. Ultrazvukové senzory poskytují robustní schopnosti měření vzdálenosti, zatímco fotoelektrické senzory jsou oblíbené pro svou rychlost a přizpůsobivost. Laserové senzory vynikají svou přesností na velké vzdálenosti.

Zdroj článku:

https://www.ifm.com/de/en/shared/technologies/ultrasonic-sensors/advantages-of-ultrasonic-sensors

https://www.tme.eu/Document/e5f38f78b147f70a1fae36b473781d74/MM-SERIES-EN.PDF