Milyen egyéb technológiákat használnak a közelségérzékelőkben?

I. Bevezetés a közelségérzékelő technológiákba

Közelségérzékelők olyan alapvető fontosságú eszközök, amelyeket egy tárgy jelenlétének vagy hiányának érzékelésére használnak egy meghatározott tartományon belül, fizikai érintkezés nélkül. Úgy működnek, hogy különböző energiaformákat - például elektromágneses mezőt, hanghullámokat vagy fényt - bocsátanak ki, és mérik a választ, amikor egy tárgy az érzékelő közelébe kerül. A közelségérzékelő technológiák sokfélesége lehetővé teszi alkalmazásukat számos területen, többek között az ipari automatizálásban, a robotikában, az autóipari rendszerekben és a fogyasztói elektronikában.

II. Kapacitív közelségérzékelők

A kapacitív közelségérzékelők legfontosabb jellemzői

A kapacitív közelségérzékelők olyan sokoldalú eszközök, amelyek fizikai érintkezés nélkül érzékelik a tárgyak jelenlétét. A következők a legfontosabb jellemzőik:

• Érzékelési tartomány: A kapacitív érzékelők jellemzően néhány millimétertől körülbelül 1 hüvelykig (25 mm) terjedő tartományban képesek érzékelni a tárgyakat, egyes modellek akár 2 hüvelykig is terjedhetnek.
• Anyagérzékenység: Ezek az érzékelők mind a fémes, mind a nem fémes anyagokat, beleértve a folyadékokat, műanyagokat és üveget, érzékelni tudják, mivel képesek a célanyag dielektromos állandója alapján a kapacitás változását érzékelni.
• Érintésmentes működés: Ez csökkenti a kopást és meghosszabbítja az érzékelő élettartamát.
• Állítható érzékenység: Sok kapacitív érzékelő tartalmaz egy potenciométert az érzékenység beállítására, amely lehetővé teszi a felhasználók számára az érzékelési paraméterek finomhangolását az adott alkalmazásokhoz.
• LED-jelzők: A legtöbb modell LED-jelzőkkel van felszerelve az érzékelő működési állapotának vizuális megerősítésére.

Működési elv

A kapacitív közelségérzékelők a közeli tárgyak által okozott kapacitásváltozás elvén alapulnak. Így működnek:

1. Építés: Az érzékelő két fémelektródából áll, amelyek kondenzátort alkotnak. Az egyik elektróda egy oszcillátor áramkörhöz van csatlakoztatva, míg a másik referencialemezként működik.
2. Kapacitásváltozás: Amikor egy tárgy megközelíti az érzékelőt, belép az elektródák között kialakult elektromos mezőbe. Ez a jelenlét megváltoztatja a lemezek közötti dielektromos állandót, ami viszont megváltoztatja a rendszer kapacitását.
3. Oszcilláció érzékelés: Az oszcillátor áramkör érzékeli ezeket a kapacitásváltozásokat. Ahogy egy tárgy közeledik, a kapacitás megnő, ami az áramkör rezgési frekvenciájának változásához vezet. Ezt a frekvenciaváltozást egy erősítő figyeli, és egy bináris kimeneti jellé alakítja át, amely jelzi a tárgy jelenlétét.
4. Kimeneti jel: Amikor a rezgés elér egy bizonyos küszöbértéket, az érzékelő kimeneti állapotának megváltozását váltja ki. Ezzel szemben, amikor a tárgy eltávolodik, az amplitúdó csökken, és a kimenet visszatér az eredeti állapotba.
5. Környezeti megfontolások: A kapacitív érzékelőket stabil hőmérsékletű és páratartalmú környezetben kell használni az optimális teljesítmény érdekében, mivel az ingadozások befolyásolhatják érzékenységüket és pontosságukat.

III. Ultrahangos közelségérzékelők

Az ultrahangos közelségérzékelők előnyei

Az ultrahangos közelségérzékelők számos előnnyel rendelkeznek, amelyek alkalmassá teszik őket különböző alkalmazásokhoz:

• Anyagi függetlenség: A tárgyak színétől vagy felületi textúrájától függetlenül képesek mindenféle anyagot érzékelni, beleértve a fényes, átlátszó és szabálytalan alakú tárgyakat is.
• Hosszú érzékelési tartomány: Az ultrahangos érzékelők 1 méternél nagyobb távolságot is képesek mérni, így ideálisak a nagy hatótávolságú érzékelést igénylő alkalmazásokhoz.
• Robusztus teljesítmény kedvezőtlen körülmények között: Ezeket az érzékelőket nem befolyásolják olyan környezeti tényezők, mint a por, eső vagy hó, amelyek más érzékelőtípusokat akadályozhatnak. Működésük még kihívást jelentő körülmények között is megbízható marad.
• Nagy érzékenység és pontosság: Az ultrahangos érzékelők pontos méréseket biztosítanak, és képesek kis tárgyakat is érzékelni jelentős távolságokon keresztül.
• Sokoldalú alkalmazások: A különböző iparágakban széles körben használják őket olyan feladatokra, mint a szintmérés, a tárgyak felismerése és az automatizált folyamatirányítás, ami bizonyítja alkalmazkodóképességüket a különböző forgatókönyvekben.

Működési mechanizmus

Az ultrahangos közelségérzékelők működési mechanizmusa nagyfrekvenciás hanghullámok kibocsátásán és vételén alapul. A következőképpen működnek:

1. Hanghullám-kibocsátás: Az érzékelő ultrahangos hanghullámokat bocsát ki (jellemzően 20 kHz feletti) a céltárgy felé.
2. Elmélkedés: Ezek a hanghullámok addig terjednek, amíg egy tárgyba nem ütköznek, majd visszaverődnek az érzékelő felé.
3. Időmérés: A szenzor azt az időt méri, amely alatt a kibocsátott hanghullámok a tárgyba való becsapódás után visszatérnek. Ez az időintervallum döntő fontosságú a tárgy távolságának meghatározásához.
4. Távolságszámítás: A távolság = (hangsebesség × idő) / 2 képlet segítségével az érzékelő a levegőben a hangsebesség (szobahőmérsékleten kb. 343 méter/másodperc) és a mért idő alapján kiszámítja a tárgytól mért távolságot.
5. Kimeneti jel generálása: A távolság kiszámítása után az érzékelő kimeneti jelet generál, amely jelzi, hogy egy tárgy egy előre meghatározott tartományon belül van-e. Ez lehetővé teszi különböző alkalmazások, például riasztások vagy gépek vezérlését.

IV. Mágneses közelségérzékelők

Mágneses közelségérzékelők típusai

A mágneses közelségérzékelők működési elvük és alkalmazásuk alapján több típusba sorolhatók:

• Reed kapcsoló: Ez egy mágneses működtetésű kapcsoló, amely két, üvegkapszulába zárt ferromágneses nádból áll. Mágneses mező jelenlétében a nádak összeérnek, és elektromos áramkört zárnak be.
• Hall-érzékelő: A Hall-hatás elvét használja, amikor egy vezetőn feszültség keletkezik, amikor az mágneses mezőnek van kitéve. Ez az érzékelő érzékeli a mágnesek jelenlétét, és ennek megfelelően kimeneti jelet ad.
• Magnetostriktív érzékelő: Mágneses tárgy helyzetének mérése a magnetostriktív hatás segítségével, amely során a mágneses mező változása befolyásolja az anyag tulajdonságait.
• Magneto-rezisztív érzékelő: A mágneses-ellenállásos hatáson alapul, amikor egy ferromágneses anyag elektromos ellenállása külső mágneses tér hatására megváltozik.
• Induktív mágneses közelségérzékelő: Hasonló az induktív érzékelőkhöz, de kifejezetten a mágneses mezők, nem pedig a fémtárgyak érzékelésére tervezték. Ezek egy oszcilláló tekercset használnak a mágneses mező létrehozására, és érzékelik a változásokat, amikor egy állandó mágnes közeledik.

Funkcionalitás

A mágneses közelségérzékelők funkciója a mágneses mezők érzékelésére és a megfelelő kimeneti jelek előállítására való képességük körül forog. A következőképpen működnek:

1. Érzékelési mechanizmus: A mágneses közelségérzékelők a mágneses tárgyak (például állandó mágnesek) jelenlétét különböző elvek alapján érzékelik, beleértve a fent említetteket is. Minden típusnak megvan a maga egyedi érzékelési módszere:
   • A reedkapcsolók mágneses mező hatására zárják az érintkezőket.
   • A Hall-érzékelők a közeli mágnesek hatására feszültségjelet generálnak.
   • A magnetostriktív és magnetorezisztív érzékelők az anyagtulajdonságok mágneses hatásokra bekövetkező változásait mérik.
2. Jelfeldolgozás: A mágneses mező változásának észlelése után az érzékelő feldolgozza ezt az információt, hogy kimeneti jelet generáljon. Ez a jel az alkalmazástól és az érzékelő típusától függően lehet digitális (be/ki) vagy analóg.
3. Kimenet aktiválása: A kimeneti jel különböző műveleteket indíthat el, például riasztások aktiválását, motorok vezérlését vagy visszajelzést adhat automatizált rendszerekben. Az érzékelőket gyakran használják olyan alkalmazásokban, mint a biztonsági rendszerek (ajtók és ablakok), az ipari automatizálás (helyzetérzékelés) és a szórakoztató elektronika.
4. Telepítési rugalmasság: A mágneses közelségérzékelők süllyesztve vagy nem süllyesztve szerelhetők különböző környezetekbe, beleértve a nem mágneses anyagokat, például műanyagot vagy fát, lehetővé téve a sokoldalú alkalmazást a különböző környezetekben.

V. Optikai közelségérzékelők （Fényelektromos érzékelők）

Az optikai közelségérzékelők működési elvei

Az optikai közelségérzékelők fény segítségével érzékelik az érzékelési tartományukban lévő tárgyak jelenlétét vagy hiányát. Az alapvető működési elv a fénykibocsátás, jellemzően az infravörös vagy a látható spektrumban, és a tárgyról visszaverődő fény mérése. Az alábbiakban bemutatjuk a működésüket:

1. Fénykibocsátás: Az érzékelő fénysugarat bocsát ki a céltárgy felé. Ezt a fényt különböző források, például LED-ek vagy lézerek állíthatják elő.
2. Tükröződésérzékelés: Amikor a kibocsátott fény egy tárgyba ütközik, egy része visszaverődik az érzékelő felé. A visszavert fény mennyisége és intenzitása a tárgy távolságától és felületi jellemzőitől függ.
3. Jelfeldolgozás: Az érzékelő vevője érzékeli a visszavert fényt. Ha a visszavert fény mennyisége meghalad egy bizonyos küszöbértéket, az érzékelő megállapítja, hogy egy tárgy van jelen, és az érzékelést jelző (digitális vagy analóg) kimeneti jelet generál.
4. Távolságmérés: Néhány fejlett optikai érzékelőnél (lézeres érzékelők esetében) a fény visszatéréséhez szükséges idő mérhető, hogy kiszámítható legyen a tárgytól való pontos távolság.

Ez a módszer lehetővé teszi, hogy az optikai közelségérzékelők rendkívül hatékonyan érzékeljék a tárgyakat érintkezés nélkül, így alkalmasak az automatizálás, a biztonság és a szórakoztató elektronika különböző alkalmazásaihoz.

Az optikai közelségérzékelők különböző típusai

Az optikai közelségérzékelők felépítésük és működési elvük alapján több típusba sorolhatók:

• Infravörös (IR) érzékelők: Ezek az érzékelők infravörös fényt bocsátanak ki, és érzékelik a visszavert infravörös sugárzás változásait. Általában olyan alkalmazásokban használják őket, mint az automata ajtók és biztonsági rendszerek.
• Lézeres érzékelők: Ezek az érzékelők lézersugarakat használva nagy pontosságú és nagy hatótávolságú érzékelési képességet biztosítanak. Gyakran alkalmazzák őket olyan ipari alkalmazásokban, amelyek pontos távolságmérést igényelnek.
• Fényelektromos érzékelők: Ezek egy fényforrásból (általában LED) és egy vevőből állnak. Különböző üzemmódokban működhetnek:
  • Átmenő sugár: A sugárzó és a vevő egymással szemben helyezkedik el; egy tárgy megszakítja a fénysugarat.
  • Visszatükröző: A kibocsátó és a vevő ugyanazon az oldalon van, egy reflektorral, amely a kibocsátott fényt visszaveri a vevőhöz.
  • Diffúz fényvisszaverő: Az érzékelő érzékeli a közvetlenül előtte lévő tárgyról visszaverődő fényt.
• Repülési idejű (ToF) érzékelők: Ezek a fejlett érzékelők azt az időt mérik, amely alatt a fényimpulzus eljut egy tárgyig és vissza, lehetővé téve a pontos távolságmérést.

VI. Hall-effektusos közelségérzékelők

A Hall-effektusú közelségérzékelők legfontosabb előnyei

A Hall-effektusos közelségérzékelők számos előnnyel rendelkeznek, amelyek rendkívül hatékonnyá teszik őket a különböző alkalmazásokban:

• Érintésmentes érzékelés: Ezek az érzékelők fizikai érintkezés nélkül érzékelik a mágneses mezők jelenlétét, ami a mechanikus kapcsolókhoz képest csökkenti a kopást.
• Tartósság: A Hall-érzékelők szilárdtest-eszközök, ami azt jelenti, hogy kevésbé hajlamosak a mechanikai meghibásodásra, és zord környezetben is működhetnek, beleértve a por, szennyeződés és nedvesség hatását.
• Nagy sebesség és érzékenység: Így alkalmasak nagy sebességű alkalmazásokhoz, például motorvezérléshez és helyzetérzékeléshez.
• Sokoldalú alkalmazások: A Hall-érzékelők számos alkalmazásban használhatók, beleértve az autóipari rendszereket (pl. keréksebesség-érzékelők), a szórakoztató elektronikát (pl. okostelefonok) és az ipari automatizálást (pl. közelségérzékelés).
• Alacsony energiafogyasztás: Ezek az érzékelők általában kevesebb energiát fogyasztanak, mint a hagyományos mechanikus kapcsolók, így ideálisak az elemmel működő eszközökhöz.

Működéselmélet

A Hall-effektusos közelségérzékelők működési elmélete a Hall-effektus jelenségén alapul, amely az elektromos áram és a mágneses mezők közötti kölcsönhatáson alapul. A következőképpen működnek:

1. Áramáramlás: A Hall-érzékelő egy vékony, vezető anyagból készült csíkból (Hall-elem) áll, amelyen elektromos áram folyik keresztül. Ez az áram saját mágneses mezőt hoz létre.
2. Mágneses mező kölcsönhatás: Ha külső mágneses teret alkalmazunk az áramáramlás irányára merőlegesen, a töltéshordozók (elektronok vagy lyukak) a vezető anyagban olyan erőt (Lorentz-erőt) tapasztalnak, amely miatt eltérnek egyenes vonalú útvonaluktól.
3. Feszültség előállítása: Ez az eltérítés a töltéshordozók koncentrációját eredményezi a Hall-elem egyik oldalán, ami feszültségkülönbséget hoz létre a szalag ellentétes oldalain, amit Hall-feszültségnek nevezünk. Ennek a feszültségnek a nagysága arányos a mágneses tér erősségével.
4. Jelkimenet: Az érzékelő méri ezt a Hall-feszültséget, és kimeneti jellé alakítja. A kialakítástól függően ez a kimenet lehet analóg vagy digitális. Digitális alkalmazásokban például az érzékelő bekapcsolhat vagy kikapcsolhat annak alapján, hogy a mágneses mező meghalad-e egy bizonyos küszöbértéket.
5. A Hall-érzékelők típusai: A Hall-érzékelők konfigurációjuktól függően a következő kategóriákba sorolhatók:
   • Egypólusú érzékelők: A mágneses mező egy polaritásával aktiválódnak.
   • Bipoláris érzékelők: Mindkét polaritásra reagálnak.
   • Omnipoláris érzékelők: Pozitív vagy negatív mágneses mezővel is aktiválhatók.

VIII. Induktív közelségérzékelők

Az induktív közelségérzékelők jellemzői

Az induktív közelségérzékelők olyan speciális eszközök, amelyeket elsősorban fémtárgyak fizikai érintkezés nélküli érzékelésére terveztek. A következők a legfontosabb jellemzőik:

• Érintésmentes érzékelés: Ez csökkenti mind az érzékelő, mind az érzékelt tárgy kopását és elhasználódását.
• Fémérzékenység: Ezek az érzékelők különösen érzékenyek a ferromágneses anyagokra (például vas), de a kialakítástól függően a nemvas fémeket (például alumíniumot és rezet) is érzékelik.
• Érzékelési tartomány: Az érzékelési tartomány a fémtárgy méretétől és típusától függően változik, jellemzően néhány millimétertől néhány centiméterig terjed.
• Robusztusság: Az induktív érzékelők tartósak, és zord környezetben is képesek működni, beleértve a pornak, nedvességnek és szélsőséges hőmérsékletnek való kitettséget.
• Nagy sebesség: Gyorsan képesek állapotot váltani, így alkalmasak nagy sebességű alkalmazásokhoz az automatizálási és gyártási folyamatokban.
• Egyszerű telepítés: Az induktív közelségérzékelők gyakran könnyen telepíthetők és integrálhatók a meglévő rendszerekbe, mivel különböző szerelési lehetőségek állnak rendelkezésre.

Működési módszer

Az induktív közelségérzékelők működési módszere az elektromágneses indukció elvén alapul. Így működnek:

1. Oszcillátor áramkör: Az érzékelő tartalmaz egy oszcillátor áramkört, amely nagyfrekvenciás váltakozó elektromágneses mezőt hoz létre az érzékelő felületén. Ez az elektromágneses mező kiterjed a környező területre.
2. Örvényáram-termelés: Amikor egy fémtárgy megközelíti ezt az elektromágneses mezőt, a fémben örvényáramok keletkeznek. Ezek az áramlások az elektromágneses indukció következtében a fémtárgyban áramlanak.
3. Amplitúdóváltozás: Az örvényáramok jelenléte energiaveszteséget okoz a rezgőkörben, ami a rezgés amplitúdójának csökkenéséhez vezet. Minél közelebb kerül a fémtárgy, annál nagyobb az energiaveszteség és annál jelentősebb a rezgés amplitúdójának csökkenése.
4. Jelérzékelés: Az érzékelő tartalmaz egy amplitúdóérzékelő áramkört, amely figyeli az oszcillációs állapot változásait. Ha az amplitúdó egy fémtárgy jelenléte miatt egy bizonyos küszöbérték alá csökken, ezt a változást érzékeli.
5. Kimeneti jel generálása: Az érzékelő ezt az érzékelést kimeneti jellé (jellemzően bináris jel) alakítja át, amely jelzi, hogy egy tárgy jelen van-e vagy sem. Ez a kimenet felhasználható az automatizálási rendszer más eszközeinek vagy folyamatainak indítására.

IX. A különböző közelségérzékelő technológiák összehasonlítása

A. Erősségek és korlátok

Érzékelő típusa	Erősségek	Korlátozások
Induktív	Rendkívül megbízható fémtárgyak érzékeléséhez Tartós és ellenálló a zord körülményekkel szemben Gyors válaszidő	Fém céltárgyakra korlátozódik Elektromágneses interferenciára érzékeny
Kapacitív	Fémes és nem fémes tárgyakat egyaránt képes érzékelni Nem fémes akadályokon keresztül működik Állítható érzékenység	Rövidebb érzékelési tartomány az induktív érzékelőkhöz képest A környezeti tényezők (páratartalom, hőmérséklet) befolyásolják.
Ultrahangos	Különböző anyagok érintésmentes érzékelése Kemény környezetben is működik Hosszú érzékelési tartomány	Korlátozott hatékonyság vákuumban A teljesítményt befolyásolhatja a tárgyak textúrája és a hangelnyelés.
Fényelektromos	Sokoldalúan alkalmazható különböző konfigurációkkal (átmenő fénysugár, fényvisszaverő) Gyors válaszidő Átlátszó tárgyak észlelésére képes	A telepítés összetettsége egyes típusok esetében A teljesítmény a tárgy színétől és fényvisszaverő képességétől függően változhat
Lézer	Nagy pontosságú és nagy hatótávolságú érzékelés Alkalmas kis vagy távoli célpontokhoz	Magasabb költségek és energiafogyasztás A szemnek való kitettséggel kapcsolatos biztonsági aggályok Korlátozott teljesítmény átlátszó anyagokkal

B. Alkalmas alkalmazások az egyes technológiákhoz

Alkalmas alkalmazások az egyes technológiákhoz

• Induktív közelségérzékelők:
  • Gyakran használják az ipari automatizálásban a szállítószalagokon lévő fém alkatrészek érzékelésére.
  • Ideális a gépek és berendezések helyzetének érzékeléséhez.
• Kapacitív közelségérzékelők:
  • Alkalmas nem fémes anyagok, például folyadékok, porok és műanyagok érzékelésére.
  • Gyakran használják csomagolásban, élelmiszer-feldolgozásban és szintmérési alkalmazásokban.
• Ultrahangos közelségérzékelők:
  • Hatékony a távolságmérést igénylő alkalmazásokban, például folyadékszint-érzékelés és tárgyérzékelés a robotikában.
  • Autóipari parkolássegítő rendszerekben használatos.
• Fényelektromos közelségérzékelők:
  • Széles körben használják a csomagolásban, a válogatórendszerekben és az anyagmozgatásban.
  • Alkalmas átlátszó tárgyak érzékelésére vagy szállítószalagon lévő tárgyak számlálására.
• Lézeres közelségérzékelők:
  • Nagy pontosságot igénylő alkalmazásokban, például robotpozicionáló és automatizált ellenőrző rendszerekben használatos.
  • Gyakran használják a logisztikában a csomagok távolságának vagy méreteinek mérésére.

Következtetés: A közelségérzékelő technológiák sokfélesége

A közelségérzékelési technológiák sokfélesége tükrözi a modern automatizálási és vezérlőrendszerek változatos követelményeit. Minden érzékelőtípus egyedi erősségekkel rendelkezik, amelyek alkalmassá teszik őket bizonyos alkalmazásokhoz, ugyanakkor olyan korlátokat is felállítanak, amelyeket a kiválasztás során figyelembe kell venni. Az induktív érzékelők fémek érzékelésében jeleskednek, míg a kapacitív érzékelők sokoldalúságot kínálnak a különböző anyagok esetében. Az ultrahangos érzékelők robusztus távolságmérési képességeket biztosítanak, míg a fotoelektromos érzékelőket sebességük és alkalmazkodóképességük miatt kedvelik. A lézeres érzékelők a nagy távolságokon való pontosságukkal tűnnek ki.

Cikk forrása: Cikkek forrása:

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

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