Milliseid muid tehnoloogiaid kasutatakse lähedusandurites?

I. Sissejuhatus lähedusandurite tehnoloogiatesse

Lähedusandurid on olulised seadmed, mida kasutatakse objekti olemasolu või puudumise tuvastamiseks kindlaksmääratud vahemikus ilma füüsilise kontaktita. Nad töötavad, kiirates erinevaid energiaallikaid - näiteks elektromagnetvälju, helilainete või valguse - ja mõõtes reaktsiooni, kui objekt läheneb andurile. Lähedusandurite tehnoloogia mitmekesisus võimaldab nende kasutamist paljudes valdkondades, sealhulgas tööstusautomaatika, robootika, autosüsteemid ja tarbeelektroonika.

II. Võimenduslikud lähedusandurid

Kapatsitiivsete lähedusandurite põhiomadused

Kapatsitiivsed lähedusandurid on mitmekülgsed seadmed, mis tuvastavad objektide olemasolu ilma füüsilise kontaktita. Siin on nende põhiomadused:

• Tuvastuspiirkond: Tavaliselt suudavad mahtuvuslikud andurid tuvastada objekte mõne millimeetri kuni umbes 25 mm (1 tolli) ulatuses, mõned mudelid ulatuvad kuni 2 tolli.
• Materjali tundlikkus: Need andurid suudavad tuvastada nii metallilisi kui ka mittemetallilisi materjale, sealhulgas vedelikke, plasti ja klaasi, kuna nad suudavad tajuda mahtuvuse muutusi, mis põhinevad sihtmaterjali dielektrilisel konstandil.
• Kontaktivaba töö: See vähendab kulumist ja pikendab anduri kasutusiga.
• Reguleeritav tundlikkus: Paljudel mahtuvuslikel anduritel on tundlikkuse reguleerimiseks potentsiomeeter, mis võimaldab kasutajatel peenhäälestada avastamisparameetreid konkreetsete rakenduste jaoks.
• LED-indikaatorid: Enamik mudeleid on varustatud LED-indikaatoritega, mis kinnitavad visuaalselt anduri tööseisundit.

Tööpõhimõte

Kapatsitiivsed lähedusandurid toimivad läheduses asuvate objektide poolt põhjustatud mahtuvuse muutuste põhimõttel. Need toimivad järgmiselt:

1. Ehitus: Andur koosneb kahest metallelektroodist, mis moodustavad kondensaatori. Üks elektrood on ühendatud ostsillaatori vooluahelaga, samas kui teine elektrood toimib võrdlusplaadina.
2. Mahutavuse muutus: Kui objekt läheneb andurile, siseneb see elektroodide vahele tekkivasse elektrivälja. See muudab plaatide vahelist dielektrilist konstanti, mis omakorda muudab süsteemi mahtuvust.
3. Võnkumise tuvastamine: Ostsillaatori vooluring tuvastab need muutused mahtuvuses. Kui objekt läheneb, suureneb mahtuvus, mis toob kaasa vooluahela võnkesageduse muutumise. Seda sageduse muutust jälgib võimendi ja muundab selle binaarseks väljundsignaaliks, mis näitab objekti kohalolekut.
4. Väljundsignaal: Kui võnkumine saavutab teatud lävendi amplituudi, käivitab see muutuse anduri väljundseisundis. Vastupidi, kui objekt eemaldub, väheneb amplituud, misjärel pöördub väljund tagasi algsesse olekusse.
5. Keskkonnaalased kaalutlused: Kuna kõikumised võivad mõjutada nende tundlikkust ja täpsust, tuleks mahtuvuslikele anduritele tagada optimaalne töö, kui nende temperatuuri- ja niiskustase on stabiilne.

III. Ultraheli lähedusandurid

Ultraheli lähedusandurite eelised

Ultrahelianduritel on mitmeid eeliseid, mis muudavad need sobivaks erinevateks rakendusteks:

• Materiaalne sõltumatus: Nad suudavad tuvastada igat tüüpi materjale, sealhulgas läikivaid, läbipaistvaid ja ebakorrapärase kujuga objekte, ilma et objekti värv või pinnatekstuur mõjutaks neid.
• Pikk avastamisulatus: Ultraheliandurid suudavad mõõta üle 1 meetri, mistõttu on need ideaalsed rakenduste jaoks, mis nõuavad kaugtuvastust.
• Vastupidine jõudlus ebasoodsates tingimustes: Neid andureid ei mõjuta keskkonnategurid, nagu tolm, vihm või lumi, mis võivad takistada teisi anduritüüpe. Nende töö on usaldusväärne ka keerulistes tingimustes.
• Kõrge tundlikkus ja täpsus: Ultraheliandurid võimaldavad täpseid mõõtmisi ja on võimelised tuvastama väikeseid objekte märkimisväärsete vahemaade tagant.
• Mitmekülgsed rakendused: Need on laialdaselt kasutusel erinevates tööstusharudes sellistes ülesannetes nagu taseme mõõtmine, objektide tuvastamine ja automatiseeritud protsesside juhtimine, mis tõestab nende kohandatavust erinevates stsenaariumides.

Töömehhanism

Ultraheliandurite töömehhanism põhineb kõrgsageduslike helilainete kiirgamisel ja vastuvõtmisel. Need toimivad järgmiselt:

1. Helilainete emissioon: Andur kiirgab sihtobjekti suunas ultraheli helilained (tavaliselt üle 20 kHz).
2. Mõtisklus: Need helilained levivad, kuni nad tabavad objekti ja peegelduvad tagasi anduri suunas.
3. Aja mõõtmine: Andur mõõdab aega, mis kulub väljastatud helilainete tagasipöördumiseks pärast objektiga kokkupõrget. See ajavahemik on oluline objekti kauguse määramiseks.
4. Kauguse arvutamine: Kasutades valemit Kaugus = (helikiirus × aeg) / 2, arvutab andur kauguse objektini, võttes aluseks helikiiruse õhus (umbes 343 meetrit sekundis toatemperatuuril) ja mõõdetud aja.
5. Väljundsignaali genereerimine: Kui kaugus on arvutatud, genereerib andur väljundsignaali, mis näitab, kas objekt on eelnevalt määratud vahemikus, võimaldades erinevaid rakendusi, näiteks häireid või masinate juhtimist.

IV. Magnetilised lähedusandurid

Magnetiliste lähedusandurite tüübid

Magnetilised lähedusandurid võib nende tööpõhimõtete ja rakenduste alusel liigitada mitmesse kategooriasse:

• Reed lüliti: See on magnetiliselt käivitatav lüliti, mis koosneb kahest klaasist kapslisse suletud ferromagnetilisest keelest. Kui magnetväli on olemas, lähevad keeled kokku, et sulgeda vooluahel.
• Halliefektandur: Kasutab Halli efekti põhimõtet, mille kohaselt tekib pinge juhi kohal, kui see puutub kokku magnetväljaga. See andur tuvastab magnetite olemasolu ja annab vastavalt sellele väljundsignaali.
• Magnetostriktiivne andur: Mõõdab magnetilise objekti asukohta, kasutades magnetostriktiivset efekti, mis hõlmab magnetvälja muutusi, mis mõjutavad materjali omadusi.
• Magneto-resistiivne andur: Põhineb magnetresistiivsel efektil, mille puhul ferromagnetilise materjali elektriline takistus muutub vastusena välisele magnetväljale.
• Induktiivne magnetiline lähedusandur: Sarnaneb induktiivsete anduritega, kuid on spetsiaalselt kavandatud pigem magnetväljade kui metalliliste objektide tuvastamiseks. Nad kasutavad võnkuvat mähist magnetvälja tekitamiseks ja tuvastavad muutused, kui püsimagnet läheneb.

Funktsionaalsus

Magnetiliste lähedusandurite funktsionaalsus põhineb nende võimel tuvastada magnetvälju ja anda vastavaid väljundsignaale. Nende tööpõhimõte on järgmine:

1. Avastamise mehhanism: Magnetilised lähedusandurid tuvastavad magnetiliste objektide (nt püsimagnetid) olemasolu erinevate, sealhulgas eespool nimetatud põhimõtete abil. Igal tüübil on oma unikaalne tuvastamismeetod:
   • Reed-lülitid sulgevad kontaktid, kui need puutuvad kokku magnetväljaga.
   • Halliefektandurid genereerivad pinge signaali vastusena lähedal asuvatele magnetitele.
   • Magnetostriktiivsed ja magnetorestriktiivsed andurid mõõdavad magnetiliste mõjude tõttu toimuvaid materjali omaduste muutusi.
2. Signaalitöötlus: Kui magnetvälja muutus on tuvastatud, töötleb andur seda teavet, et tekitada väljundsignaal. See signaal võib olla digitaalne (sisse/välja) või analoogsignaal, sõltuvalt rakendusest ja anduri tüübist.
3. Väljundi aktiveerimine: Väljundsignaal võib käivitada mitmesuguseid tegevusi, näiteks häireid, mootorite juhtimist või tagasiside andmist automatiseeritud süsteemides. Andureid kasutatakse sageli sellistes rakendustes nagu turvasüsteemid (uste ja akende puhul), tööstusautomaatika (asukoha tuvastamine) ja tarbeelektroonika.
4. Paindlikkus paigaldamisel: Magnetilisi lähendusandureid saab paigaldada erinevatesse keskkondadesse, sealhulgas mittemagnetiliste materjalidega, nagu plastik või puit, mis võimaldab mitmekülgset kasutamist erinevates keskkondades.

V. Optilised lähedusandurid （Fotoelektrilised andurid）

Optiliste lähedusandurite tööpõhimõtted

Optilised lähedusandurid töötavad valguse abil, et tuvastada objektide olemasolu või puudumist nende avastamispiirkonnas. Põhiline tööpõhimõte seisneb valguse, tavaliselt infrapunase või nähtava spektri kiirgamises ja objektilt tagasi peegelduva valguse mõõtmises. Järgnevalt on kirjeldatud nende toimimist:

1. Valgusemissioon: Andur kiirgab valguskiirt sihtobjekti suunas. Seda valgust võivad tekitada erinevad valgusallikad, sealhulgas valgusdioodid või laserid.
2. Peegelduse tuvastamine: Kui kiiratav valgus kohtub objektiga, peegeldub osa sellest tagasi anduri poole. Selle peegeldunud valguse hulk ja intensiivsus sõltub objekti kaugusest ja pinna omadustest.
3. Signaalitöötlus: Anduri vastuvõtja tuvastab peegeldunud valguse. Kui peegeldunud valguse hulk ületab teatava lävendi, määrab andur kindlaks, et objekt on olemas, ja genereerib avastamist näitava (digitaalse või analoog-) väljundsignaali.
4. Kauguse mõõtmine: Mõne täiustatud optilise anduri puhul saab mõõta valguse tagasipöördumise aega (laserandurite puhul), et arvutada täpne kaugus objektist.

See meetod võimaldab optilistel lähedusanduritel väga tõhusalt tuvastada objekte ilma kontaktita, mistõttu sobivad need mitmesugusteks rakendusteks automaatikas, turvalisuses ja tarbeelektroonikas.

Erinevad optilised lähedusandurid

Optilisi lähendusandureid võib nende konstruktsiooni ja tööpõhimõtete alusel liigitada mitmeks tüübiks:

• Infrapuna (IR) andurid: Need andurid kiirgavad infrapunavalgust ja tuvastavad peegeldunud infrapunakiirguse muutusi. Neid kasutatakse tavaliselt sellistes rakendustes nagu automaatsed uksed ja turvasüsteemid.
• Laserandurid: Kasutades laserkiiri, pakuvad need andurid suurt täpsust ja kaugtuvastusvõimet. Neid kasutatakse sageli tööstuslikes rakendustes, mis nõuavad täpseid kaugusmõõtmisi.
• Fotoelektrilised andurid: Need koosnevad valgusallikast (tavaliselt LED) ja vastuvõtjast. Nad võivad töötada eri režiimidel:
  • Läbivalgusti: Saatja ja vastuvõtja asuvad teineteise vastas; objekt katkestab valgusvihku.
  • Tagasipeegeldav: Saatja ja vastuvõtja on samal küljel, kusjuures helkur peegeldab kiiratud valgust tagasi vastuvõtjale.
  • Hajusalt peegeldav: Saatja ja vastuvõtja asuvad koos; andur tuvastab otse ees olevast objektist peegeldunud valgust.
• Lennuaja (ToF) andurid: Need täiustatud andurid mõõdavad aega, mis kulub valgusimpulsi jõudmiseks objektile ja tagasi, võimaldades täpset kauguse mõõtmist.

VI. Halliefekt-lähedusandurid

Halliefekt-lähedusandurite peamised eelised

Halliefektiga lähedusanduritel on mitmeid eeliseid, mis muudavad need väga tõhusaks erinevate rakenduste jaoks:

• Mittekontaktne mõõtmine: Need andurid tuvastavad magnetvälja olemasolu ilma füüsilise kontaktita, mis vähendab kulumist võrreldes mehaaniliste lülititega.
• Vastupidavus: Halliefektandurid on pooljuhtseadmed, mis tähendab, et nad on vähem altid mehaanilistele riketele ja võivad töötada rasketes tingimustes, sealhulgas tolmu, mustuse ja niiskuse käes.
• Suur kiirus ja tundlikkus: Seetõttu sobivad nad kiirete rakenduste jaoks, näiteks mootorite juhtimiseks ja asukoha tuvastamiseks.
• Mitmekülgsed rakendused: Halliefektandureid saab kasutada mitmesugustes rakendustes, sealhulgas autosüsteemides (nt ratta kiiruse andurid), tarbeelektroonikas (nt nutitelefonid) ja tööstusautomaatikas (nt läheduse tuvastamine).
• Madal energiatarbimine: Need andurid tarbivad tavaliselt vähem energiat kui traditsioonilised mehaanilised lülitid, mistõttu sobivad need ideaalselt akutoitel töötavatesse seadmetesse.

Operatsiooniteooria

Halliefektiga lähedusandurite toimimisteooria põhineb Halliefektil, mis hõlmab elektrivoolu ja magnetvälja vastastikmõju. Need toimivad järgmiselt:

1. Vooluvool: Halliefektiga andur koosneb õhukesest juhtivast materjalist ribast (Hall-element), mida läbib elektrivool. See vool tekitab oma magnetvälja.
2. Magnetvälja vastastikmõju: Kui väline magnetväli rakendatakse risti voolu suunaga, tekib juhtivates materjalides olevatele laengukandjatele (elektronidele või aukudele) jõud (Lorentzi jõud), mis põhjustab nende kõrvalekaldumist oma sirgjoonelisest teest.
3. Pinge tekitamine: See kõrvalekalle põhjustab laengukandjate kontsentratsiooni Halli elemendi ühel poolel, tekitades riba vastaskülgedel pingeerinevuse, mida nimetatakse Halli pingeks. Selle pinge suurus on proportsionaalne magnetvälja tugevusega.
4. Signaali väljund: Andur mõõdab seda Hallipinget ja teisendab selle väljundsignaaliks. Sõltuvalt konstruktsioonist võib see väljund olla analoog- või digitaalne. Näiteks digitaalsetes rakendustes võib andur sisse või välja lülituda vastavalt sellele, kas magnetväli ületab teatavat künnist.
5. Halliefektandurite tüübid: Olenevalt nende konfiguratsioonist võib Halliefektandureid klassifitseerida järgmiselt:
   • Unipolaarsed andurid: Aktiveeruvad magnetvälja ühe polaarsuse korral.
   • Bipolaarsed andurid: Reageerivad mõlemale polaarsusele.
   • Omnipolaarsed andurid: Võivad aktiveeruda nii positiivse kui ka negatiivse magnetvälja poolt.

VIII. Induktiivsed lähedusandurid

Induktiivsete lähedusandurite omadused

Induktiivsed lähedusandurid on spetsiaalsed seadmed, mis on mõeldud eelkõige metalliliste objektide tuvastamiseks ilma füüsilise kontaktita. Siin on nende peamised omadused:

• Mittekontaktne tuvastamine: See vähendab nii anduri kui ka tuvastatava objekti kulumist.
• Tundlikkus metalli suhtes: Need andurid on eriti tundlikud ferromagnetiliste materjalide (nagu raud) suhtes, kuid võivad sõltuvalt konstruktsioonist tuvastada ka värvilisi metalle (nagu alumiinium ja vask).
• Tuvastuspiirkond: Tundmisulatus sõltub metallobjekti suurusest ja tüübist, tavaliselt ulatub see mõnest millimeetrist kuni mitme sentimeetrini.
• Vastupidavus: Induktiivsed andurid on vastupidavad ja võivad töötada rasketes tingimustes, sealhulgas tolmu, niiskuse ja äärmuslikel temperatuuridel.
• Suur kiirus: nad suudavad kiiresti olekuid vahetada, mistõttu sobivad nad kiirete rakenduste jaoks automaatika- ja tootmisprotsessides.
• Lihtne paigaldus: Induktiivsed lähedusandurid on sageli hõlpsasti paigaldatavad ja integreeritavad olemasolevatesse süsteemidesse, kusjuures saadaval on erinevaid paigaldusvõimalusi.

Operatiivne meetod

Induktiivsete lähedusandurite töömeetod põhineb elektromagnetilise induktsiooni põhimõttel. Need toimivad järgmiselt:

1. Ostsillaatori ahel: Andur sisaldab ostsillaatori vooluahelat, mis tekitab kõrgsageduslikku vahelduvat elektromagnetvälja selle anduripinnal. See elektromagnetväli ulatub ümbritsevasse piirkonda.
2. Voolutugevuse tekitamine: Kui metalliline objekt läheneb elektromagnetväljale, tekitab see metallis keerisvoolu. Need elektrivoolud voolavad metallobjekti sees elektromagnetilise induktsiooni tõttu.
3. Amplituudimuutus: Need keerisvoolud põhjustavad energiakadu võnkumisahelas, mis viib võnkumise amplituudi vähenemiseni. Mida lähemale metallobjekt jõuab, seda suurem on energiakadu ja seda suurem on võnkumise amplituudi vähenemine.
4. Signaali tuvastamine: Andur sisaldab amplituudi tuvastamise ahelat, mis jälgib muutusi võnkumise olekus. Kui amplituud langeb alla teatava lävendi metallobjekti olemasolu tõttu, tuvastatakse see muutus.
5. Väljundsignaali genereerimine: Andur teisendab selle tuvastamise väljundsignaaliks (tavaliselt binaarseks signaaliks), mis näitab, kas objekt on olemas või mitte. Seda väljundit saab kasutada teiste seadmete või protsesside käivitamiseks automaatikasüsteemis.

IX. Erinevate lähedusandurite tehnoloogiate võrdlus

A. Tugevused ja piirangud

Anduri tüüp	Tugevused	Piirangud
Induktiivne	Väga usaldusväärne metallist objektide tuvastamiseks Vastupidav ja vastupidav karmidele tingimustele Kiire reageerimisaeg	Piiratud metallist sihtmärkidega Tundlik elektromagnetiliste häirete suhtes
Mahutavus	suudab tuvastada nii metallilisi kui ka mittemetallilisi objekte Toimib läbi mittemetalliliste tõkete Reguleeritav tundlikkus	Induktiivsete anduritega võrreldes lühem mõõtepiirkond Mõjutavad keskkonnategurid (niiskus, temperatuur).
Ultraheli	Erinevate materjalide mittekontaktne tuvastamine Töötab rasketes tingimustes Pikk avastamisulatus	Piiratud tõhusus vaakumis Tulemust võib mõjutada eseme tekstuur ja heli neeldumine.
Fotoelektriline	Mitmekülgne erinevate konfiguratsioonidega (läbivalgustusega, tagasipeegeldav). Kiire reageerimisaeg Saab tuvastada läbipaistvaid objekte	Mõne tüübi puhul on paigaldamine keeruline Tulemus võib erineda sõltuvalt objekti värvusest ja peegeldusvõimest
Laser	Kõrge täpsus ja kaugtuvastus Sobib väikeste või kaugete sihtmärkide jaoks	Kõrgemad kulud ja energiatarbimine Ohutusprobleemid seoses silmade kokkupuutega Piiratud jõudlus läbipaistvate materjalidega

B. Iga tehnoloogia jaoks sobivad rakendused

Iga tehnoloogia jaoks sobivad rakendused

• Induktiivsed lähedusandurid:
  • Kasutatakse tavaliselt tööstusautomaatikas metallosade tuvastamiseks konveierilintidel.
  • Sobib ideaalselt masinate ja seadmete asukoha tuvastamiseks.
• Mahutavad lähedusandurid:
  • Sobib mittemetalliliste materjalide, näiteks vedelike, pulbrite ja plastide tuvastamiseks.
  • Kasutatakse sageli pakendamisel, toiduainete töötlemisel ja taseme mõõtmisel.
• Ultraheli lähedusandurid:
  • Efektiivne rakendustes, mis nõuavad kauguse mõõtmist, näiteks vedeliku taseme tuvastamine ja objektide tuvastamine robootikas.
  • Kasutatakse autode parkimisabisüsteemides.
• Fotoelektrilised lähedusandurid:
  • Kasutatakse laialdaselt pakendamisel, sorteerimissüsteemides ja materjalikäitluses.
  • Sobib läbipaistvate objektide tuvastamiseks või konveieril olevate esemete loendamiseks.
• Laserkäiguandurid:
  • Kasutatakse suurt täpsust nõudvates rakendustes, näiteks robotpositsioneerimise ja automatiseeritud kontrollisüsteemides.
  • Kasutatakse tavaliselt logistikas pakendite vahemaade või mõõtmete mõõtmiseks.

Kokkuvõte: Läheduse tuvastamise tehnoloogiate mitmekesisus

Läheduse tuvastamise tehnoloogiate mitmekesisus peegeldab kaasaegsete automaatika- ja juhtimissüsteemide erinevaid nõudeid. Igal anduritüübil on ainulaadsed tugevused, mis muudavad selle sobivaks konkreetsete rakenduste jaoks, kuid samas esineb ka piiranguid, mida tuleb valiku tegemisel arvesse võtta. Induktiivsed andurid paistavad silma metallide tuvastamisel, samas kui mahtuvusandurid pakuvad mitmekülgsust erinevate materjalide puhul. Ultraheliandurid pakuvad kindlaid kaugusmõõtmisvõimalusi, samas kui fotoelektrilisi andureid eelistatakse nende kiiruse ja kohanemisvõime tõttu. Laserandurid paistavad silma oma täpsusega pikkade vahemaade puhul.

Artikli allikas:

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

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