Kādas citas tehnoloģijas izmanto tuvuma sensoros?

I. Ievads tuvuma sensoru tehnoloģijās

Tuvuma sensori ir būtiskas ierīces, ko izmanto, lai noteiktu objekta klātbūtni vai neesamību noteiktā diapazonā bez fiziska kontakta. Tās darbojas, izstarojot dažāda veida enerģiju, piemēram, elektromagnētisko lauku, skaņas viļņus vai gaismu, un mēra reakciju, kad objekts pietuvojas sensora tuvumā. Tuvuma sensoru tehnoloģiju daudzveidība ļauj tos izmantot daudzās jomās, tostarp rūpnieciskajā automatizācijā, robotikā, automobiļu sistēmās un sadzīves elektronikā.

II. Kapacitatīvie tuvuma sensori

Kapacitatīvo tuvuma sensoru galvenās funkcijas

Kapacitatīvie tuvuma sensori ir universālas ierīces, kas nosaka objektu klātbūtni bez fiziska kontakta. Tālāk ir aprakstītas to galvenās īpašības:

• Noteikšanas diapazons: Parasti kapacitatīvie sensori spēj noteikt objektus diapazonā no dažiem milimetriem līdz aptuveni 1 collai (25 mm), bet daži modeļi - līdz pat 2 collām.
• Materiāla jutība: Šie sensori spēj uztvert gan metāla, gan nemetāla materiālus, tostarp šķidrumus, plastmasu un stiklu, jo tie spēj uztvert kapacitātes izmaiņas, pamatojoties uz mērķa materiāla dielektrisko konstanti.
• Bezkontakta darbība: Tie darbojas bez fiziska kontakta, kas samazina nodilumu un pagarina sensora kalpošanas laiku.
• Regulējams jutīgums: Daudzos kapacitatīvajos sensoros ir potenciometrs jutības regulēšanai, kas ļauj lietotājiem precīzi pielāgot noteikšanas parametrus konkrētiem lietojumiem.
• LED indikatori: Lielākā daļa modeļu ir aprīkoti ar LED indikatoriem, kas vizuāli apstiprina sensora darbības stāvokli.

Darba princips

Kapacitatīvie tuvuma sensori darbojas, pamatojoties uz tuvumā esošo objektu radīto kapacitātes izmaiņu principu. Lūk, kā tie darbojas:

1. Būvniecība: Sensors sastāv no diviem metāla elektrodiem, kas veido kondensatoru. Viens elektrods ir savienots ar oscilatora ķēdi, bet otrs darbojas kā atskaites plate.
2. Kapacitātes izmaiņas: Kad objekts pietuvojas sensoram, tas nonāk elektriskajā laukā, kas izveidojas starp elektrodiem. Šī klātbūtne maina dielektrisko konstanti starp plāksnēm, kas savukārt maina sistēmas kapacitāti.
3. Svārstību noteikšana: Oscilatora shēma nosaka šīs kapacitātes izmaiņas. Objektam tuvojoties, kapacitāte palielinās, izraisot shēmas svārstību frekvences izmaiņas. Šo frekvences maiņu uzrauga pastiprinātājs un pārveido binārajā izejas signālā, kas norāda objekta klātbūtni.
4. Izejas signāls: Kad svārstības sasniedz noteiktu robežvērtības amplitūdu, tas izraisa sensora izejas stāvokļa maiņu. Un otrādi, kad objekts attālinās, amplitūda samazinās, atgriežot izejas signālu sākotnējā stāvoklī.
5. Vides apsvērumi: Lai nodrošinātu optimālu veiktspēju, kapacitatīvie sensori jāizmanto vidē ar stabilu temperatūras un mitruma līmeni, jo svārstības var ietekmēt to jutību un precizitāti.

III. Ultraskaņas tuvuma sensori

Ultraskaņas tuvuma sensoru priekšrocības

Ultraskaņas tuvuma sensoriem ir vairākas priekšrocības, kas padara tos piemērotus dažādiem lietojumiem:

• Materiālā neatkarība: Tie spēj noteikt visu veidu materiālus, tostarp spīdīgus, caurspīdīgus un neregulāras formas objektus, un to neietekmē objekta krāsa vai virsmas tekstūra.
• Ilgs noteikšanas diapazons: Ultraskaņas sensori var izmērīt attālumus, kas pārsniedz 1 metru, tāpēc tie ir ideāli piemēroti lietojumiem, kur nepieciešama liela darbības attāluma noteikšana.
• Droša veiktspēja nelabvēlīgos apstākļos: Šos sensorus neietekmē tādi vides faktori kā putekļi, lietus vai sniegs, kas var traucēt citu tipu sensoru darbību. To darbība ir uzticama pat sarežģītos apstākļos.
• Augsta jutība un precizitāte: Ultraskaņas sensori nodrošina precīzus mērījumus un spēj noteikt nelielus objektus lielā attālumā.
• Daudzfunkcionāli lietojumi: Tie tiek plaši izmantoti dažādās rūpniecības nozarēs tādiem uzdevumiem kā līmeņa mērīšana, objektu noteikšana un automatizēta procesu kontrole, kas pierāda to pielāgošanās spēju dažādiem scenārijiem.

Darbības mehānisms

Ultraskaņas tuvuma sensoru darbības mehānisma pamatā ir augstas frekvences skaņas viļņu emisija un uztveršana. Lūk, kā tie darbojas:

1. Skaņas viļņu emisija: Sensors izstaro ultraskaņas skaņas viļņus (parasti virs 20 kHz) uz mērķa objektu.
2. Pārdomas: Atstarošana: šie skaņas viļņi pārvietojas, līdz tie nokļūst objektā un tiek atstaroti atpakaļ uz sensoru.
3. Laika mērīšana: Sensors mēra laiku, kas nepieciešams, lai izstarotie skaņas viļņi atgrieztos pēc trieciena objektam. Šis laika intervāls ir ļoti svarīgs, lai noteiktu attālumu līdz objektam.
4. Attāluma aprēķināšana: Izmantojot formulu Attālums = (skaņas ātrums × laiks) / 2, sensors aprēķina attālumu līdz objektam, pamatojoties uz skaņas ātrumu gaisā (aptuveni 343 metri sekundē istabas temperatūrā) un izmērīto laiku.
5. Izejas signāla ģenerēšana: Pēc attāluma aprēķināšanas sensors ģenerē izejas signālu, norādot, vai objekts atrodas iepriekš noteiktā diapazonā, un ļauj to izmantot dažādiem lietojumiem, piemēram, trauksmes signālu aktivizēšanai vai iekārtu vadībai.

IV. Magnētiskie tuvuma sensori

Magnētisko tuvuma sensoru veidi

Magnētiskos tuvuma sensorus var iedalīt vairākos tipos, pamatojoties uz to darbības principiem un lietojumiem:

• Nātrensklocekļu slēdzis: Tas ir magnētiski darbināms slēdzis, kas sastāv no divām feromagnētiskām spolītēm, kas noslēgtas stikla kapsulā. Ja ir magnētiskais lauks, stieņi saslēdzas, lai noslēgtu elektrisko ķēdi.
• Hola efekta sensors: Izmantojot Hola efekta principu, kad magnētiskā lauka iedarbībā uz vadītāju tiek ģenerēts spriegums. Šis sensors nosaka magnētu klātbūtni un attiecīgi nodrošina izejas signālu.
• Magnetostrikcijas sensors: Magnētiskā objekta pozīcijas mērīšana, izmantojot magnetostrikcijas efektu, kas ietver magnētiskā lauka izmaiņas, kuras ietekmē materiāla īpašības.
• Magnētiski rezistīvais sensors: Magnētiski rezistīvais sensors: darbojas, pamatojoties uz magnētiski rezistīvo efektu, kad, reaģējot uz ārējo magnētisko lauku, mainās feromagnētiska materiāla elektriskā pretestība.
• Induktīvā magnētiskā tuvuma sensors: Līdzīgi induktīvajiem sensoriem, bet īpaši izstrādāti, lai noteiktu magnētisko lauku, nevis metāla objektus. Tie izmanto svārstīgu spoli, lai radītu magnētisko lauku un noteiktu izmaiņas, kad pietuvojas pastāvīgais magnēts.

Funkcionalitāte

Magnētisko tuvuma sensoru funkcionalitāte ir saistīta ar to spēju noteikt magnētisko lauku un nodrošināt atbilstošus izejas signālus. Lūk, kā tie darbojas:

1. Atklāšanas mehānisms: Magnētiskie tuvuma sensori nosaka magnētisku objektu (piemēram, pastāvīgo magnētu) klātbūtni, izmantojot dažādus principus, tostarp iepriekš minētos. Katram tipam ir unikāla noteikšanas metode:
   • Reed slēdži slēdz kontaktus, kad tie ir pakļauti magnētiskā lauka iedarbībai.
   • Hola efekta sensori ģenerē sprieguma signālu, reaģējot uz tuvumā esošiem magnētiem.
   • Magnetostrikcijas un magnetorezistīvie sensori mēra materiālu īpašību izmaiņas magnētiskās iedarbības dēļ.
2. Signālu apstrāde: Pēc magnētiskā lauka izmaiņu konstatēšanas sensors apstrādā šo informāciju, lai ģenerētu izejas signālu. Atkarībā no lietojuma un sensora tipa šis signāls var būt ciparu (ieslēgts/izslēgts) vai analogs.
3. Izejas aktivizēšana: Izvades signāls var aktivizēt dažādas darbības, piemēram, aktivizēt trauksmes signālus, vadīt motorus vai nodrošināt atgriezenisko saiti automatizētās sistēmās. Sensorus bieži izmanto tādās lietojumprogrammās kā drošības sistēmas (durvīm un logiem), rūpnieciskā automatizācija (pozīcijas noteikšana) un plaša patēriņa elektronika.
4. Uzstādīšanas elastība: Magnētiskos tuvuma sensorus var uzstādīt vienā līmenī vai ne vienā līmenī dažādās vidēs, tostarp tādās, kurās ir nemagnētiski materiāli, piemēram, plastmasa vai koks, tādējādi nodrošinot daudzpusīgu pielietojumu dažādās vidēs.

V. Optiskie tuvuma sensori （Fotoelektriskie sensori）

Optisko tuvuma sensoru darbības principi

Optiskie tuvuma sensori darbojas, izmantojot gaismu, lai noteiktu objektu klātbūtni vai neesamību to detektēšanas diapazonā. Darbības pamatprincips ietver gaismas izstarošanu, parasti infrasarkanajā vai redzamajā spektrā, un no objekta atstarotās gaismas mērīšanu. Tālāk sniegts to darbības sadalījums:

1. Gaismas emisija: Sensors izstaro gaismas staru kūli uz mērķa objektu. Šo gaismu var radīt dažādi avoti, tostarp gaismas diodes vai lāzeri.
2. Atspoguļojuma noteikšana: Kad izstarotā gaisma saskaras ar objektu, daļa no tās tiek atstarota atpakaļ uz sensoru. Šīs atstarotās gaismas daudzums un intensitāte ir atkarīga no objekta attāluma un virsmas īpašībām.
3. Signālu apstrāde: Sensora uztvērējs uztver atstaroto gaismu. Ja atstarotās gaismas daudzums pārsniedz noteiktu slieksni, sensors nosaka, ka objekts ir klāt, un ģenerē izejas signālu (digitālo vai analogo), kas norāda uz atklāšanu.
4. Attāluma mērīšana: Lai aprēķinātu precīzu attālumu līdz objektam, dažos progresīvos optiskajos sensoros var izmērīt laiku, kas nepieciešams gaismas atdošanai (lāzera sensoru gadījumā).

Šī metode ļauj optiskajiem tuvuma sensoriem ļoti efektīvi noteikt objektus bez kontakta, padarot tos piemērotus dažādiem lietojumiem automatizācijā, drošībā un sadzīves elektronikā.

Dažādi optisko tuvuma sensoru veidi

Optiskos tuvuma sensorus var iedalīt vairākos tipos, pamatojoties uz to konstrukciju un darbības principiem:

• Infrasarkanie (IR) sensori: Šie sensori izstaro infrasarkano gaismu un nosaka izmaiņas atstarotajā infrasarkanajā starojumā. Tos parasti izmanto, piemēram, automātiskajās durvīs un drošības sistēmās.
• Lāzera sensori: Izmantojot lāzera starus, šie sensori nodrošina augstu precizitāti un liela darbības attāluma noteikšanas iespējas. Tos bieži izmanto rūpnieciskos lietojumos, kur nepieciešami precīzi attāluma mērījumi.
• Fotoelektriskie sensori: Tie sastāv no gaismas avota (parasti LED) un uztvērēja. Tie var darboties dažādos režīmos:
  • Caur gaismu: Objekts pārtrauc gaismas staru kūli.
  • Atstarojošs: Izstarotājs un uztvērējs atrodas vienā pusē, bet atstarotājs atstaro izstaroto gaismu atpakaļ uz uztvērēju.
  • Difūza atstarojoša: Sensors uztver gaismu, kas atstarojas no objekta, kurš atrodas tieši priekšā.
• Lidojuma laika (ToF) sensori: Šie progresīvie sensori mēra laiku, kas gaismas impulsam nepieciešams, lai nokļūtu līdz objektam un atpakaļ, tādējādi ļaujot precīzi noteikt attālumu.

VI. Hala efekta tuvuma sensori

Hala efekta tuvuma sensoru galvenās priekšrocības

Hala efekta tuvuma sensori piedāvā vairākas priekšrocības, kas padara tos ļoti efektīvus dažādiem lietojumiem:

• Bezkontakta sensori: Šie sensori nosaka magnētisko lauku klātbūtni bez fiziska kontakta, tādējādi samazinot nolietojumu salīdzinājumā ar mehāniskiem slēdžiem.
• Izturība: Hola efekta sensori ir cietvielu ierīces, kas nozīmē, ka tie ir mazāk pakļauti mehāniskiem bojājumiem un var darboties skarbā vidē, tostarp putekļu, netīrumu un mitruma iedarbībā.
• Liels ātrums un jutība: Tie spēj ātri reaģēt uz magnētiskā lauka izmaiņām, tāpēc ir piemēroti ātrgaitas lietojumiem, piemēram, motoru kontrolei un pozīcijas noteikšanai.
• Daudzfunkcionāli lietojumi: Hala sensorus var izmantot plašā lietojumu klāstā, tostarp automobiļu sistēmās (piemēram, riteņu ātruma sensoros), sadzīves elektronikā (piemēram, viedtālruņos) un rūpnieciskajā automatizācijā (piemēram, tuvuma sensoros).
• Zems enerģijas patēriņš: Šie sensori parasti patērē mazāk enerģijas nekā tradicionālie mehāniskie slēdži, tāpēc tie ir ideāli piemēroti ar akumulatoru darbināmām ierīcēm.

Darbības teorija

Hola efekta tuvuma sensoru darbības teorija ir balstīta uz Hola efekta parādību, kas ietver mijiedarbību starp elektrisko strāvu un magnētisko lauku. Lūk, kā tie darbojas:

1. Strāvas plūsma: Hola efekta sensors sastāv no plānas strāvu vadoša materiāla sloksnes (Hola elements), caur kuru plūst elektriskā strāva. Šī strāva rada savu magnētisko lauku.
2. Magnētiskā lauka mijiedarbība: Ja ārējais magnētiskais lauks tiek pielikts perpendikulāri strāvas plūsmas virzienam, lādiņa nesēji (elektroni vai caurumi) vadošā materiālā iedarbojas ar spēku (Lorenca spēks), kas liek tiem novirzīties no taisnā ceļa.
3. Sprieguma ģenerēšana: Šāda novirze rada lādiņa nesēju koncentrāciju vienā Hala elementa pusē, radot sprieguma starpību pretējās sloksnes pusēs, kas pazīstama kā Hala spriegums. Šī sprieguma lielums ir proporcionāls magnētiskā lauka stiprumam.
4. Signāla izeja: Sensors mēra šo Hola spriegumu un pārveido to izejas signālā. Atkarībā no konstrukcijas šis izejas signāls var būt analogs vai ciparu. Piemēram, digitālajos lietojumos sensors var ieslēgties vai izslēgties, pamatojoties uz to, vai magnētiskais lauks pārsniedz noteiktu slieksni.
5. Hola efekta sensoru veidi: Hala sensorus atkarībā no to konfigurācijas var iedalīt šādi:
   • Unipolārie sensori: Aktivizējas ar vienu magnētiskā lauka polaritāti.
   • Bipolārie sensori: Reaģē uz abām polaritātēm.
   • Omnipolārie sensori: Var aktivizēt ar pozitīvu vai negatīvu magnētisko lauku.

VIII. Induktīvie tuvuma sensori

Induktīvo tuvuma sensoru raksturojums

Induktīvie tuvuma sensori ir specializētas ierīces, kas galvenokārt paredzētas metāla objektu noteikšanai bez fiziska kontakta. Šeit ir aprakstītas to galvenās īpašības:

• Bezkontakta noteikšana: Tas samazina gan sensora, gan detektējamā objekta nolietojumu.
• Jutība pret metālu: Šie sensori ir īpaši jutīgi pret feromagnētiskiem materiāliem (piemēram, dzelzi), bet atkarībā no konstrukcijas var noteikt arī krāsainos metālus (piemēram, alumīniju un varu).
• Noteikšanas diapazons: Parasti tas ir no dažiem milimetriem līdz vairākiem centimetriem.
• Izturība: Induktīvie sensori ir izturīgi un var darboties skarbās vidēs, tostarp putekļu, mitruma un ekstrēmu temperatūru ietekmē.
• Liels ātrums: tie var ātri pārslēgt stāvokļus, tāpēc ir piemēroti ātrdarbīgiem lietojumiem automatizācijas un ražošanas procesos.
• Vienkārša uzstādīšana: Induktīvie tuvuma sensori bieži vien ir viegli uzstādāmi un integrējami esošajās sistēmās, jo ir pieejamas dažādas montāžas iespējas.

Darbības metode

Induktīvo tuvuma sensoru darbības metodes pamatā ir elektromagnētiskās indukcijas princips. Lūk, kā tie darbojas:

1. Oscilatora shēma: Sensors satur oscilatora ķēdi, kas ģenerē augstfrekvences mainīgu elektromagnētisko lauku uz sensora virsmas. Šis elektromagnētiskais lauks izplatās apkārtējā zonā.
2. Virpuļstrāvas ģenerēšana: Kad metāla objekts pietuvojas elektromagnētiskajam laukam, tas metālā inducē virpuļstrāvas. Šīs strāvas plūst metāla objektā elektromagnētiskās indukcijas dēļ.
3. Amplitūdas izmaiņas: Šādu virpuļstrāvu klātbūtne izraisa enerģijas zudumus svārstību ķēdē, kā rezultātā samazinās svārstību amplitūda. Jo tuvāk atrodas metāla objekts, jo lielāki ir enerģijas zudumi un jo ievērojami samazinās svārstību amplitūda.
4. Signāla noteikšana: Sensors ietver amplitūdas noteikšanas shēmu, kas uzrauga svārstību stāvokļa izmaiņas. Ja amplitūda samazinās zem noteikta sliekšņa metāla objekta klātbūtnes dēļ, šīs izmaiņas tiek konstatētas.
5. Izejas signāla ģenerēšana: Sensors pēc tam pārveido šo noteikšanu izejas signālā (parasti binārajā signālā), norādot, vai objekts ir vai nav klāt. Šo izejas signālu var izmantot, lai iedarbinātu citas ierīces vai procesus automatizācijas sistēmā.

IX. Dažādu tuvuma sensoru tehnoloģiju salīdzinājums

A. Stiprās puses un ierobežojumi

Sensora tips	Stiprās puses	Ierobežojumi
Induktīvs	Ļoti uzticama metāla objektu noteikšana Izturīgs un izturīgs pret skarbiem apstākļiem Ātrs reakcijas laiks	Tikai metāla mērķiem Jutīgs pret elektromagnētiskajiem traucējumiem
Kapacitatīvais	Var noteikt gan metāliskus, gan nemetāliskus objektus. Darbojas caur nemetāla barjerām Regulējams jutīgums	Īsāks uztveršanas diapazons salīdzinājumā ar induktīvajiem sensoriem ietekmē vides faktori (mitrums, temperatūra).
Ultraskaņas	Dažādu materiālu bezkontakta noteikšana Darbojas skarbos vides apstākļos Liels atklāšanas diapazons	Ierobežota efektivitāte vakuumā Darbības rādītājus var ietekmēt objektu tekstūra un skaņas absorbcija.
Fotoelektriskais	Daudzfunkcionāls ar dažādām konfigurācijām (caur staru kūli, atstarojošs) Ātrs reakcijas laiks Var noteikt caurspīdīgus objektus	Dažu tipu uzstādīšanas sarežģītība Veiktspēja var atšķirties atkarībā no objekta krāsas un atstarošanas spējas.
Lāzera	Augsta precizitāte un liela darbības attāluma noteikšana Piemērots maziem vai attāliem mērķiem	Augstākas izmaksas un lielāks enerģijas patēriņš Drošības apsvērumi saistībā ar iedarbību uz acīm Ierobežota veiktspēja ar caurspīdīgiem materiāliem

B. Katrai tehnoloģijai piemēroti lietojumi

Katrai tehnoloģijai piemēroti lietojumi

• Induktīvie tuvuma sensori:
  • Parasti izmanto rūpnieciskajā automatizācijā, lai noteiktu metāla detaļas uz konveijera lentēm.
  • Ideāli piemērots pozīcijas noteikšanai mašīnās un iekārtās.
• Kapacitatīvie tuvuma sensori:
  • Piemērots nemetālisku materiālu, piemēram, šķidrumu, pulveru un plastmasas, noteikšanai.
  • Bieži tiek izmantoti iepakošanas, pārtikas pārstrādes un līmeņa mērīšanas lietojumos.
• Ultraskaņas tuvuma sensori:
  • Efektīvs lietojumos, kur nepieciešama attāluma mērīšana, piemēram, šķidruma līmeņa noteikšana un objektu noteikšana robotikā.
  • Izmanto automobiļu parkošanās palīgsistēmās.
• Fotoelektriskie tuvuma sensori:
  • Plaši izmanto iepakošanas, šķirošanas sistēmās un materiālu apstrādē.
  • Piemērots caurspīdīgu objektu noteikšanai vai priekšmetu skaitīšanai uz konveijera lentes.
• Lāzera tuvuma sensori:
  • Izmanto lietojumos, kur nepieciešama augsta precizitāte, piemēram, robotizētās pozicionēšanas un automatizētās pārbaudes sistēmās.
  • Bieži sastopams loģistikā, lai mērītu attālumus vai paku izmērus.

Secinājums: Tuvuma sensoru tehnoloģiju daudzveidība

Tuvuma sensoru tehnoloģiju daudzveidība atspoguļo mūsdienu automatizācijas un vadības sistēmu daudzveidīgās prasības. Katram sensora tipam piemīt unikālas priekšrocības, kas padara to piemērotu konkrētiem lietojumiem, un tajā pašā laikā tam piemīt arī ierobežojumi, kas jāņem vērā, veicot izvēli. Induktīvie sensori izceļas ar metālu noteikšanu, savukārt kapacitatīvie sensori ir daudzpusīgi, izmantojot dažādus materiālus. Ultraskaņas sensori nodrošina stabilas attāluma mērīšanas iespējas, savukārt fotoelektriskie sensori ir iecienīti to ātruma un pielāgojamības dēļ. Lāzera sensori izceļas ar precizitāti lielos attālumos.

Raksta avots:

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

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