Kokios dar technologijos naudojamos artimojo atstumo jutikliuose?

I. Įvadas į artumo jutiklių technologijas

Artumo jutikliai tai pagrindiniai prietaisai, naudojami tam tikru atstumu be fizinio kontakto aptikti objekto buvimą ar nebuvimą. Jie veikia skleisdami įvairių formų energiją, pavyzdžiui, elektromagnetinius laukus, garso bangas arba šviesą, ir matuodami atsaką, kai objektas priartėja prie jutiklio. Dėl artumo jutiklių technologijų įvairovės juos galima taikyti daugelyje sričių, įskaitant pramonės automatizavimą, robotiką, automobilių sistemas ir buitinę elektroniką.

II. Talpiniai artumo jutikliai

Pagrindinės talpinių artumo jutiklių savybės

Talpiniai artumo jutikliai yra universalūs prietaisai, kurie aptinka objektus be fizinio kontakto. Štai pagrindinės jų savybės:

• Aptikimo diapazonas: Paprastai talpiniai jutikliai gali aptikti objektus nuo kelių milimetrų iki maždaug 1 colio (25 mm), o kai kurie modeliai - iki 2 colių.
• Medžiagų jautrumas: Šie jutikliai gali aptikti tiek metalines, tiek nemetalines medžiagas, įskaitant skysčius, plastikus ir stiklą, nes jie geba aptikti talpos pokyčius, priklausančius nuo tikslinės medžiagos dielektrinės skvarbos.
• Bekontaktis veikimas: Jutikliai veikia be fizinio kontakto, todėl mažiau dėvisi ir pailgėja jutiklio tarnavimo laikas.
• Reguliuojamas jautrumas: Daugelyje talpinių jutiklių yra potenciometras, kuriuo reguliuojamas jautrumas, todėl vartotojai gali tiksliai sureguliuoti aptikimo parametrus konkrečioms reikmėms.
• LED indikatoriai: Dauguma modelių turi LED indikatorius, kurie vizualiai patvirtina jutiklio veikimo būseną.

Veikimo principas

Talpiniai artumo jutikliai veikia pagal talpos pokyčių, kuriuos sukelia netoliese esantys objektai, principą. Štai kaip jie veikia:

1. Statyba: Jutiklis sudarytas iš dviejų metalinių elektrodų, kurie sudaro kondensatorių. Vienas elektrodas prijungtas prie osciliatoriaus grandinės, o kitas atlieka atraminės plokštelės funkciją.
2. Talpos pokytis: Kai objektas priartėja prie jutiklio, jis patenka į elektrinį lauką, sukurtą tarp elektrodų. Dėl jo buvimo pasikeičia dielektrinė konstanta tarp plokštelių, o tai savo ruožtu keičia sistemos talpą.
3. Svyravimų aptikimas: Osciliatoriaus grandinė aptinka šiuos talpos pokyčius. Artėjant objektui, talpa didėja, todėl keičiasi grandinės virpesių dažnis. Šį dažnio pokytį stebi stiprintuvas ir paverčia dvejetainiu išėjimo signalu, rodančiu objekto buvimą.
4. Išvesties signalas: Kai virpesiai pasiekia tam tikrą ribinę amplitudę, pasikeičia jutiklio išėjimo būsena. Ir atvirkščiai, kai objektas nutolsta, amplitudė sumažėja ir išėjimas grįžta į pradinę būseną.
5. Aplinkosaugos aspektai: Kad talpiniai jutikliai veiktų optimaliai, jie turėtų būti naudojami aplinkoje, kurioje temperatūra ir drėgmė yra stabili, nes svyravimai gali turėti įtakos jų jautrumui ir tikslumui.

III. Ultragarsiniai artumo jutikliai

Ultragarsinių artumo jutiklių privalumai

Ultragarsiniai artumo jutikliai turi keletą privalumų, dėl kurių juos galima naudoti įvairiose srityse:

• Medžiagų nepriklausomybė: Jie gali aptikti visų tipų medžiagas, įskaitant blizgius, skaidrius ir netaisyklingų formų objektus, ir jiems neturi įtakos objekto spalva ar paviršiaus tekstūra.
• Didelis aptikimo nuotolis: Ultragarsiniai jutikliai gali matuoti didesniu nei 1 metro atstumu, todėl jie idealiai tinka programoms, kurioms reikia didelio aptikimo nuotolio.
• Tvirtas veikimas nepalankiomis sąlygomis: Šiems jutikliams neturi įtakos aplinkos veiksniai, pvz., dulkės, lietus ar sniegas, kurie gali trukdyti kitų tipų jutikliams. Jų veikimas išlieka patikimas net ir sudėtingomis sąlygomis.
• Didelis jautrumas ir tikslumas: Ultragarsiniai jutikliai atlieka tikslius matavimus ir gali aptikti mažus objektus dideliu atstumu.
• Įvairiapusiškas pritaikymas: Jie plačiai naudojami įvairiose pramonės šakose tokioms užduotims kaip lygio matavimas, objektų aptikimas ir automatizuota procesų kontrolė.

Veikimo mechanizmas

Ultragarsinių artumo jutiklių veikimo mechanizmas pagrįstas aukšto dažnio garso bangų skleidimu ir priėmimu. Štai kaip jie veikia:

1. Garso bangų skleidimas: Jutiklis skleidžia ultragarso garso bangas (paprastai aukštesnes nei 20 kHz) į tikslinį objektą.
2. Refleksija: Garso bangos sklinda tol, kol atsitrenkia į objektą ir atsispindi atgal į jutiklį.
3. Laiko matavimas: Jutiklis matuoja laiką, per kurį skleidžiamos garso bangos grįžta atgal po smūgio į objektą. Šis laiko intervalas yra labai svarbus nustatant atstumą iki objekto.
4. Atstumo apskaičiavimas: Pagal formulę Atstumas = (garso greitis × laikas) / 2 jutiklis apskaičiuoja atstumą iki objekto, remdamasis garso greičiu ore (maždaug 343 metrai per sekundę kambario temperatūroje) ir išmatuotu laiku.
5. Išėjimo signalo generavimas: Apskaičiavus atstumą, jutiklis generuoja išėjimo signalą, rodantį, ar objektas yra iš anksto nustatytu atstumu, todėl jį galima naudoti įvairioms reikmėms, pvz., signalizacijai įjungti arba mašinoms valdyti.

IV. Magnetinio artumo jutikliai

Magnetinio artumo jutiklių tipai

Magnetiniai artumo jutikliai gali būti skirstomi į kelis tipus, atsižvelgiant į jų veikimo principus ir taikymo sritis:

• Nendrinis jungiklis: Tai magnetu valdomas jungiklis, kurį sudaro dvi stiklinėje kapsulėje uždarytos feromagnetinės nendrės. Esant magnetiniam laukui, nendrės susijungia ir sudaro elektros grandinę.
• Hallo efekto jutiklis: Naudojamas Hallo efekto principas, kai laidininkui veikiant magnetiniam lauku, laidininke susidaro įtampa. Šis jutiklis aptinka magnetų buvimą ir atitinkamai perduoda išėjimo signalą.
• Magnetostrikcinis jutiklis: Magnetinis jutiklis: matuoja magnetinio objekto padėtį, naudodamas magnetostrikcinį efektą, kai magnetinio lauko pokyčiai veikia medžiagos savybes.
• Magnetorezistorinis jutiklis: Veikia pagal magnetorezistyvinį efektą, kai feromagnetinės medžiagos elektrinė varža keičiasi reaguojant į išorinį magnetinį lauką.
• Indukcinis magnetinis artumo jutiklis: Panašūs į indukcinius jutiklius, tačiau specialiai sukurti aptikti magnetinius laukus, o ne metalinius objektus. Juose naudojama svyruojanti ritė, kuri sukuria magnetinį lauką ir aptinka pokyčius, kai priartėja nuolatinis magnetas.

Funkcionalumas

Magnetinių artumo jutiklių funkcionalumas susijęs su jų gebėjimu aptikti magnetinius laukus ir pateikti atitinkamus išėjimo signalus. Štai kaip jie veikia:

1. Aptikimo mechanizmas: Magnetiniai artumo jutikliai aptinka magnetinius objektus (pvz., nuolatinius magnetus) įvairiais principais, įskaitant pirmiau minėtus. Kiekvienam tipui būdingas unikalus aptikimo metodas:
   • Nendriniai jungikliai uždaro kontaktus, kai juos veikia magnetinis laukas.
   • Halo efekto jutikliai generuoja įtampos signalą, reaguodami į netoliese esančius magnetus.
   • Magnetostrikciniais ir magnetorezistyviaisiais jutikliais matuojami medžiagos savybių pokyčiai dėl magnetinio poveikio.
2. Signalų apdorojimas: Aptikus magnetinio lauko pokytį, jutiklis apdoroja šią informaciją ir generuoja išėjimo signalą. Šis signalas gali būti skaitmeninis (įjungta/išjungta) arba analoginis, priklausomai nuo taikymo srities ir jutiklio tipo.
3. Išėjimo aktyvavimas: Išėjimo signalas gali sukelti įvairius veiksmus, pvz., įjungti pavojaus signalus, valdyti variklius arba užtikrinti grįžtamąjį ryšį automatizuotose sistemose. Jutikliai dažnai naudojami tokiose srityse kaip apsaugos sistemos (durų ir langų), pramonės automatizavimas (padėties nustatymas) ir buitinė elektronika.
4. Montavimo lankstumas: Magnetiniai artumo jutikliai gali būti montuojami vienoje plokštumoje arba ne vienoje plokštumoje įvairiose aplinkose, įskaitant tas, kuriose yra nemagnetinių medžiagų, pvz., plastiko ar medžio.

V. Optiniai artumo jutikliai （Fotoelektriniai jutikliai）

Optinių artumo jutiklių veikimo principai

Optiniai artumo jutikliai veikia naudodami šviesą, kad aptiktų objektų buvimą ar nebuvimą jų aptikimo diapazone. Pagrindinis veikimo principas - spinduliuoti šviesą, paprastai infraraudonųjų spindulių arba matomo spektro, ir matuoti šviesą, atsispindėjusią nuo objekto. Toliau pateikiame jų veikimo principą:

1. Šviesos emisija: Jutiklis skleidžia šviesos spindulį į tikslinį objektą. Šią šviesą gali skleisti įvairūs šaltiniai, įskaitant šviesos diodus arba lazerius.
2. Atspindžio aptikimas: Kai skleidžiama šviesa atsitrenkia į objektą, dalis jos atsispindi atgal į jutiklį. Šios atsispindėjusios šviesos kiekis ir intensyvumas priklauso nuo objekto atstumo ir paviršiaus savybių.
3. Signalų apdorojimas: Jutiklio imtuvas aptinka atsispindėjusią šviesą. Jei atsispindėjusios šviesos kiekis viršija tam tikrą ribą, jutiklis nustato, kad yra objektas, ir generuoja išėjimo signalą (skaitmeninį arba analoginį), rodantį aptikimą.
4. Atstumo matavimas: Kai kuriuose pažangiuose optiniuose jutikliuose galima išmatuoti laiką, per kurį šviesa sugrįžta (lazerinių jutiklių atveju), ir taip apskaičiuoti tikslų atstumą iki objekto.

Šis metodas leidžia optiniams artumo jutikliams labai efektyviai aptikti objektus be kontakto, todėl jie tinka įvairioms automatikos, apsaugos ir buitinės elektronikos sritims.

Skirtingi optinių artumo jutiklių tipai

Optinius artumo jutiklius galima suskirstyti į keletą tipų pagal jų konstrukciją ir veikimo principus:

• Infraraudonųjų spindulių (IR) jutikliai: Šie jutikliai skleidžia infraraudonąją šviesą ir nustato atspindėtos infraraudonosios spinduliuotės pokyčius. Jie dažniausiai naudojami tokiose srityse kaip automatinės durys ir saugos sistemos.
• Lazeriniai jutikliai: Naudojant lazerio spindulius, šie jutikliai užtikrina didelį tikslumą ir aptikimo galimybes dideliu atstumu. Jie dažnai naudojami pramoninėse programose, kuriose reikia tikslių atstumo matavimų.
• Fotoelektriniai jutikliai: Juos sudaro šviesos šaltinis (paprastai šviesos diodas) ir imtuvas. Jie gali veikti skirtingais režimais:
  • Per spindulį: Šviesos spindulį nutraukia objektas.
  • Atspindintys šviesą: Atspindulys ir imtuvas yra toje pačioje pusėje, o reflektorius atspindi spinduliuojamą šviesą atgal į imtuvą.
  • Difuzinis atspindintis: Jutiklis aptinka šviesą, atsispindėjusią nuo tiesiai priešais esančio objekto.
• Skrydžio laiko (ToF) jutikliai: Šie pažangūs jutikliai matuoja laiką, per kurį šviesos impulsas pasiekia objektą ir grįžta atgal, todėl galima tiksliai išmatuoti atstumą.

VI. Hallo efekto artumo jutikliai

Pagrindiniai Holo efekto artumo jutiklių privalumai

Holo efekto artumo jutikliai turi keletą privalumų, dėl kurių jie yra labai efektyvūs įvairiose srityse:

• Nekontaktinis jutimas: Šie jutikliai aptinka magnetinius laukus be fizinio kontakto, todėl, palyginti su mechaniniais jungikliais, mažiau dėvisi.
• Ilgaamžiškumas: Hallo efekto jutikliai yra kietakūniai įtaisai, todėl jie mažiau linkę į mechaninius gedimus ir gali veikti atšiaurioje aplinkoje, įskaitant dulkes, purvą ir drėgmę.
• Didelis greitis ir jautrumas: Jie gali greitai reaguoti į magnetinių laukų pokyčius, todėl yra tinkami greitam naudojimui, pvz., variklių valdymui ir padėties jutimui.
• Įvairiapusiškas pritaikymas: Holo efekto jutikliai gali būti naudojami įvairiose srityse, įskaitant automobilių sistemas (pvz., ratų greičio jutikliai), buitinę elektroniką (pvz., išmanieji telefonai) ir pramoninę automatiką (pvz., artumo jutiklis).
• Mažas energijos suvartojimas: Šie jutikliai paprastai vartoja mažiau energijos nei tradiciniai mechaniniai jungikliai, todėl idealiai tinka baterijomis maitinamiems prietaisams.

Veiklos teorija

Halo efekto artimojo atstumo jutiklių veikimo teorija grindžiama Holo efekto reiškiniu, kuris susijęs su elektros srovių ir magnetinių laukų sąveika. Štai kaip jie veikia:

1. Srovės srautas: Hallo efekto jutiklį sudaro plona laidžios medžiagos juostelė (Hallo elementas), kuria teka elektros srovė. Ši srovė sukuria savo magnetinį lauką.
2. Magnetinio lauko sąveika: Kai išorinis magnetinis laukas veikia statmenai srovės tekėjimo krypčiai, krūvio nešėjai (elektronai arba skylės) laidžioje medžiagoje patiria jėgą (Lorenco jėgą), dėl kurios jie nukrypsta nuo savo tiesiaeigio kelio.
3. Įtampos generavimas: Dėl šio poslinkio vienoje Hallo elemento pusėje susikaupia krūvio nešikliai, todėl priešingose juostelės pusėse susidaro įtampos skirtumas, vadinamas Hallo įtampa. Šios įtampos dydis yra proporcingas magnetinio lauko stiprumui.
4. Signalo išvestis: Jutiklis matuoja šią Hallo įtampą ir paverčia ją išėjimo signalu. Priklausomai nuo konstrukcijos, šis išėjimas gali būti analoginis arba skaitmeninis. Pavyzdžiui, skaitmeninėse programose jutiklis gali įsijungti arba išsijungti pagal tai, ar magnetinis laukas viršija tam tikrą ribą.
5. Salės efekto jutiklių tipai: Holo efekto jutikliai, priklausomai nuo jų konfigūracijos, gali būti skirstomi į:
   • Unipoliniai jutikliai: Įjungiami, kai magnetinis laukas yra vieno poliariškumo.
   • Bipoliniai jutikliai: Reaguoja į abu poliškumus.
   • Omnipoliniai jutikliai: Gali būti aktyvuojami tiek teigiamu, tiek neigiamu magnetiniu lauku.

VIII. Indukciniai artumo jutikliai

Indukcinių artumo jutiklių charakteristikos

Indukciniai artumo jutikliai - tai specializuoti prietaisai, skirti metaliniams objektams aptikti be fizinio kontakto. Štai pagrindinės jų savybės:

• Nekontaktinis aptikimas: Jie gali aptikti metalinius objektus jų neliečiant, todėl jutiklis ir aptiktas objektas mažiau dėvisi.
• Jautrumas metalui: Šie jutikliai ypač jautrūs feromagnetinėms medžiagoms (pvz., geležiai), tačiau, priklausomai nuo konstrukcijos, gali aptikti ir spalvotuosius metalus (pvz., aliuminį ir varį).
• Aptikimo diapazonas: Aptikimo diapazonas priklauso nuo metalinio objekto dydžio ir tipo ir paprastai svyruoja nuo kelių milimetrų iki kelių centimetrų.
• Patvarumas: Indukciniai jutikliai yra patvarūs ir gali veikti atšiauriomis sąlygomis, įskaitant dulkių, drėgmės ir ekstremalių temperatūrų poveikį.
• Didelis greitis: jie gali greitai perjungti būsenas, todėl tinka didelės spartos automatikos ir gamybos procesams.
• Paprastas montavimas: Indukciniai artumo jutikliai dažnai lengvai montuojami ir integruojami į esamas sistemas.

Veiklos metodas

Indukcinių artumo jutiklių veikimo metodas pagrįstas elektromagnetinės indukcijos principu. Štai kaip jie veikia:

1. Osciliatoriaus grandinė: Jutiklis turi osciliatoriaus grandinę, kuri generuoja aukšto dažnio kintamą elektromagnetinį lauką jutiklio paviršiuje. Šis elektromagnetinis laukas sklinda į aplinkinę sritį.
2. Sūkurinių srovių generavimas: Kai metalinis objektas priartėja prie elektromagnetinio lauko, jame atsiranda sūkurinės srovės. Šios srovės dėl elektromagnetinės indukcijos teka metaliniame objekte.
3. Amplitudės pokytis: Dėl šių sūkurinių srovių virpesių grandinėje prarandama energija, todėl sumažėja virpesių amplitudė. Kuo arčiau metalinis objektas, tuo didesni energijos nuostoliai ir tuo labiau sumažėja virpesių amplitudė.
4. Signalo aptikimas: Jutiklis turi amplitudės aptikimo grandinę, kuri stebi virpesių būsenos pokyčius. Kai amplitudė dėl metalinio objekto buvimo nukrenta žemiau tam tikros ribos, šis pokytis aptinkamas.
5. Išėjimo signalo generavimas: Tada jutiklis paverčia šį aptikimą išėjimo signalu (paprastai dvejetainiu signalu), rodančiu, ar objektas yra, ar ne. Šis išvesties signalas gali būti naudojamas kitiems automatizavimo sistemos prietaisams ar procesams įjungti.

IX. Skirtingų artumo jutiklių technologijų palyginimas

A. Privalumai ir trūkumai

Jutiklio tipas	Stipriosios pusės	Apribojimai
Indukcinis	Labai patikimas metalinių objektų aptikimas Patvarus ir atsparus atšiaurioms sąlygoms Greitas reagavimo laikas	Tik metaliniai taikiniai Jautrus elektromagnetiniams trikdžiams
Talpinis	Gali aptikti metalinius ir nemetalinius objektus Veikia per nemetalinius barjerus Reguliuojamas jautrumas	Trumpesnis jutiklio veikimo nuotolis, palyginti su indukciniais jutikliais Veikia aplinkos veiksniai (drėgmė, temperatūra)
Ultragarsinis	Įvairių medžiagų bekontaktis aptikimas Veikia atšiauriomis sąlygomis Didelis aptikimo nuotolis	Ribotas veiksmingumas vakuume Veikimui gali turėti įtakos objekto tekstūra ir garso sugertis
Fotoelektrinis	Įvairios konfigūracijos (per spindulį, šviesą atspindinčios) Greitas reagavimo laikas Gali aptikti skaidrius objektus	Kai kurių tipų įrengimo sudėtingumas Veikimas gali skirtis priklausomai nuo objekto spalvos ir atspindžio
Lazeris	Didelio tikslumo ir didelio nuotolio aptikimas Tinka mažiems ar toli esantiems taikiniams	Didesnės sąnaudos ir didesnis energijos suvartojimas Saugos problemos, susijusios su poveikiu akims Ribotas veikimas su skaidriomis medžiagomis

B. Kiekvienai technologijai tinkamos taikymo sritys

Kiekvienai technologijai tinkami taikymai

• Indukciniai artumo jutikliai:
  • Dažniausiai naudojamas pramoninėje automatikoje metalinėms dalims ant konvejerio juostų aptikti.
  • Idealiai tinka mašinų ir įrangos padėties jutikliams.
• Talpiniai artumo jutikliai:
  • Tinka nemetalinėms medžiagoms, pavyzdžiui, skysčiams, milteliams ir plastikams, aptikti.
  • Dažnai naudojami pakavimo, maisto perdirbimo ir lygio matavimo srityse.
• Ultragarsiniai artumo jutikliai:
  • Efektyvus naudojant, kai reikia išmatuoti atstumą, pavyzdžiui, skysčių lygio jutimui ir objektų aptikimui robotikoje.
  • Naudojamas automobilių sistemose, skirtose pagalbai parkuojantis.
• Fotoelektriniai artumo jutikliai:
  • Plačiai naudojami pakuotėse, rūšiavimo sistemose ir medžiagų tvarkyme.
  • Tinka aptikti permatomus objektus arba skaičiuoti daiktus ant konvejerio juostos.
• Lazeriniai artumo jutikliai:
  • Naudojamas programose, kuriose reikia didelio tikslumo, pavyzdžiui, robotų pozicionavimo ir automatinio tikrinimo sistemose.
  • Dažnai naudojami logistikoje atstumams arba pakuočių matmenims matuoti.

Išvados: Artumo jutiklių technologijų įvairovė

Artumo jutiklių technologijų įvairovė atspindi įvairius šiuolaikinių automatizavimo ir valdymo sistemų reikalavimus. Kiekvienas jutiklių tipas turi unikalių privalumų, dėl kurių jis tinka konkrečioms reikmėms, ir kartu turi apribojimų, į kuriuos reikia atsižvelgti renkantis. Indukciniai jutikliai puikiai aptinka metalus, o talpiniai jutikliai pasižymi universalumu naudojant įvairias medžiagas. Ultragarsiniai jutikliai užtikrina patikimas atstumo matavimo galimybes, o fotoelektriniai jutikliai mėgstami dėl savo greičio ir pritaikomumo. Lazeriniai jutikliai išsiskiria tikslumu dideliais atstumais.

Straipsnio šaltinis:

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

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