Hvilke andre teknologier brukes i nærhetssensorer?

I. Introduksjon til nærhetssensorteknologi

Nærhetssensorer er viktige enheter som brukes til å detektere tilstedeværelsen eller fraværet av et objekt innenfor et spesifisert område uten fysisk kontakt. De fungerer ved å sende ut ulike former for energi - for eksempel elektromagnetiske felt, lydbølger eller lys - og måle responsen når et objekt kommer nær sensoren. Mangfoldet innen nærhetssensorteknologi gjør det mulig å bruke dem på en rekke områder, blant annet innen industriell automasjon, robotikk, bilsystemer og forbrukerelektronikk.

II. Kapasitive nærhetssensorer

Nøkkelegenskaper ved kapasitive nærhetssensorer

Kapasitive nærhetssensorer er allsidige enheter som registrerer tilstedeværelsen av objekter uten fysisk kontakt. Her er de viktigste funksjonene:

• Deteksjonsområde: Kapasitive sensorer kan vanligvis detektere objekter innenfor et område på noen få millimeter opp til ca. 25 mm (1 tomme), med noen modeller som strekker seg opp til 2 tommer.
• Materialfølsomhet: Disse sensorene kan detektere både metalliske og ikke-metalliske materialer, inkludert væsker, plast og glass, takket være deres evne til å registrere endringer i kapasitans basert på målmaterialets dielektriske konstant.
• Berøringsfri drift: De fungerer uten fysisk kontakt, noe som reduserer slitasje og forlenger sensorens levetid.
• Justerbar følsomhet: Mange kapasitive sensorer har et potensiometer for justering av følsomheten, slik at brukerne kan finjustere deteksjonsparametrene for spesifikke bruksområder.
• LED-indikatorer: De fleste modeller er utstyrt med LED-indikatorer for visuell bekreftelse av sensorens driftsstatus.

Arbeidsprinsipp

Kapasitive nærhetssensorer fungerer basert på prinsippet om kapasitansendringer forårsaket av objekter i nærheten. Slik fungerer de:

1. Konstruksjon: Sensoren består av to metallelektroder som danner en kondensator. Den ene elektroden er koblet til en oscillatorkrets, mens den andre fungerer som referanseplate.
2. Kapasitansendring: Når et objekt nærmer seg sensoren, kommer det inn i det elektriske feltet som skapes mellom elektrodene. Dette endrer dielektrikumskonstanten mellom platene, noe som i sin tur endrer systemets kapasitans.
3. Oscillasjonsdeteksjon: Oscillatorkretsen registrerer disse endringene i kapasitansen. Når et objekt nærmer seg, øker kapasitansen, noe som fører til en endring i kretsens svingningsfrekvens. Denne frekvensendringen overvåkes av en forsterker og konverteres til et binært utgangssignal som indikerer at objektet er til stede.
4. Utgangssignal: Når svingningen når en viss terskelamplitude, utløser det en endring i sensorens utgangstilstand. Når objektet beveger seg bort, reduseres amplituden, og utgangssignalet går tilbake til sin opprinnelige tilstand.
5. Miljømessige hensyn: For å oppnå optimal ytelse bør kapasitive sensorer brukes i miljøer med stabile temperatur- og fuktighetsnivåer, ettersom svingninger kan påvirke følsomheten og nøyaktigheten.

III. Ultralydsnærhetssensorer

Fordeler med ultrasoniske nærhetssensorer

Ultralydsnærhetssensorer har flere fordeler som gjør dem egnet for ulike bruksområder:

• Uavhengig av materiale: De kan oppdage alle typer materialer, inkludert blanke, gjennomsiktige og uregelmessig formede objekter, uten å bli påvirket av objektets farge eller overflatestruktur.
• Lang deteksjonsrekkevidde: Ultralydsensorer kan måle avstander på mer enn 1 meter, noe som gjør dem ideelle for bruksområder som krever deteksjon over lange avstander.
• Robust ytelse under ugunstige forhold: Disse sensorene påvirkes ikke av miljøfaktorer som støv, regn eller snø, noe som kan være til hinder for andre sensortyper. De fungerer pålitelig selv under utfordrende forhold.
• Høy følsomhet og nøyaktighet: Ultralydsensorer gir presise målinger og er i stand til å detektere små objekter over store avstander.
• Allsidige bruksområder: De er mye brukt i ulike bransjer til oppgaver som nivåmåling, objektdeteksjon og automatisert prosesskontroll, noe som viser at de er tilpasningsdyktige på tvers av ulike scenarier.

Betjeningsmekanisme

Driftsmekanismen til ultralydsensorer er basert på utsendelse og mottak av høyfrekvente lydbølger. Slik fungerer de:

1. Utsendelse av lydbølger: Sensoren sender ut ultralydbølger (vanligvis over 20 kHz) mot målobjektet.
2. Refleksjon: Lydbølgene beveger seg til de treffer et objekt og reflekteres tilbake mot sensoren.
3. Måling av tid: Sensoren måler tiden det tar før de utsendte lydbølgene kommer tilbake etter å ha truffet objektet. Dette tidsintervallet er avgjørende for å bestemme avstanden til objektet.
4. Beregning av avstand: Ved hjelp av formelen Avstand = (lydens hastighet × tid) / 2 beregner sensoren avstanden til objektet basert på lydens hastighet i luft (ca. 343 meter per sekund ved romtemperatur) og den målte tiden.
5. Generering av utgangssignal: Når avstanden er beregnet, genererer sensoren et utgangssignal som indikerer om et objekt befinner seg innenfor et forhåndsbestemt område, noe som gir mulighet for ulike bruksområder, for eksempel utløsning av alarmer eller styring av maskiner.

IV. Magnetiske nærhetssensorer

Typer magnetiske nærhetssensorer

Magnetiske nærhetssensorer kan kategoriseres i flere typer basert på driftsprinsipper og bruksområder:

• Reed-bryter: Dette er en magnetisk betjent bryter som består av to ferromagnetiske siv innkapslet i en glasskapsel. Når et magnetfelt er til stede, kommer rørene sammen for å fullføre en elektrisk krets.
• Hall-effektsensor: Utnytter Hall-effektprinsippet, der det genereres en spenning over en leder når den utsettes for et magnetfelt. Denne sensoren registrerer tilstedeværelsen av magneter og gir et utgangssignal deretter.
• Magnetostriktiv sensor: Måler posisjonen til et magnetisk objekt ved hjelp av den magnetostriktive effekten, som innebærer at endringer i magnetfeltet påvirker egenskapene til et materiale.
• Magnetoresistiv sensor: Fungerer basert på den magnetoresistive effekten, der den elektriske motstanden i et ferromagnetisk materiale endres som respons på et eksternt magnetfelt.
• Induktiv magnetisk nærhetssensor: Ligner på induktive sensorer, men er spesielt utformet for å detektere magnetiske felt i stedet for metalliske gjenstander. De bruker en oscillerende spole til å generere et magnetfelt og registrerer endringer når en permanent magnet nærmer seg.

Funksjonalitet

Funksjonaliteten til magnetiske nærhetssensorer dreier seg om deres evne til å detektere magnetfelt og gi tilsvarende utgangssignaler. Her er hvordan de fungerer:

1. Deteksjonsmekanisme: Magnetiske nærhetssensorer registrerer tilstedeværelsen av magnetiske objekter (som permanente magneter) ved hjelp av ulike prinsipper, inkludert de som er nevnt ovenfor. Hver type har sin unike deteksjonsmetode:
   • Reed-brytere lukker kontakter når de utsettes for et magnetfelt.
   • Hall-effektsensorer genererer et spenningssignal som respons på magneter i nærheten.
   • Magnetostriktive og magnetoresistive sensorer måler endringer i materialegenskaper på grunn av magnetisk påvirkning.
2. Signalbehandling: Når en endring i magnetfeltet er registrert, behandler sensoren denne informasjonen for å generere et utgangssignal. Dette signalet kan være digitalt (av/på) eller analogt, avhengig av bruksområde og sensortype.
3. Utgangsaktivering: Utgangssignalet kan utløse ulike handlinger, for eksempel aktivere alarmer, styre motorer eller gi tilbakemelding i automatiserte systemer. Sensorene brukes ofte i applikasjoner som sikkerhetssystemer (for dører og vinduer), industriell automasjon (posisjonsdeteksjon) og forbrukerelektronikk.
4. Fleksibel installasjon: Magnetiske nærhetssensorer kan monteres innfelt eller ikke innfelt i ulike miljøer, inkludert miljøer med ikke-magnetiske materialer som plast eller tre, noe som gir mulighet for allsidig bruk i ulike omgivelser.

V. Optiske nærhetssensorer （Fotoelektriske sensorer）

Arbeidsprinsipper for optiske nærhetssensorer

Optiske nærhetssensorer bruker lys til å detektere tilstedeværelse eller fravær av objekter innenfor deteksjonsområdet. Det grunnleggende arbeidsprinsippet innebærer å sende ut lys, vanligvis i det infrarøde eller synlige spekteret, og måle lyset som reflekteres tilbake fra et objekt. Her er en oversikt over hvordan de fungerer:

1. Utsendelse av lys: Sensoren sender ut en lysstråle mot målobjektet. Lyset kan genereres av ulike kilder, blant annet lysdioder eller lasere.
2. Refleksjonsdeteksjon: Når det utsendte lyset treffer et objekt, reflekteres noe av det tilbake mot sensoren. Mengden og intensiteten av dette reflekterte lyset avhenger av objektets avstand og overflateegenskaper.
3. Signalbehandling: Sensorens mottaker registrerer det reflekterte lyset. Hvis mengden reflektert lys overskrider en viss terskelverdi, fastslår sensoren at et objekt er til stede og genererer et utgangssignal (enten digitalt eller analogt) som indikerer deteksjon.
4. Avstandsmåling: I noen avanserte optiske sensorer kan tiden det tar for lyset å returnere (i tilfellet med lasersensorer) måles for å beregne den nøyaktige avstanden til objektet.

Denne metoden gjør at optiske nærhetssensorer er svært effektive når det gjelder å detektere objekter uten kontakt, noe som gjør dem egnet for ulike bruksområder innen automatisering, sikkerhet og forbrukerelektronikk.

Ulike typer optiske nærhetssensorer

Optiske nærhetssensorer kan klassifiseres i flere typer basert på design og driftsprinsipper:

• Infrarøde (IR) sensorer: Disse sensorene sender ut infrarødt lys og registrerer endringer i reflektert IR-stråling. De brukes ofte i applikasjoner som automatiske dører og sikkerhetssystemer.
• Lasersensorer: Disse sensorene bruker laserstråler og gir høy presisjon og lang rekkevidde. De brukes ofte i industrielle applikasjoner som krever nøyaktige avstandsmålinger.
• Fotoelektriske sensorer: Disse består av en lyskilde (vanligvis en LED) og en mottaker. De kan fungere i forskjellige moduser:
  • Gjennomstrålende: Senderen og mottakeren er plassert overfor hverandre, og et objekt avbryter lysstrålen.
  • Retro-reflekterende: Senderen og mottakeren er på samme side, med en reflektor som sender det utsendte lyset tilbake til mottakeren.
  • Diffust reflekterende: Senderen og mottakeren er plassert sammen; sensoren registrerer lys som reflekteres fra et objekt rett foran.
• Time-of-Flight-sensorer (ToF): Disse avanserte sensorene måler tiden det tar for en lyspuls å bevege seg til et objekt og tilbake igjen, noe som gir mulighet for nøyaktig avstandsmåling.

VI. Hall-effekt-nærhetssensorer

De viktigste fordelene med Hall-effekt nærhetssensorer

Hall-effekt-nærhetssensorer har flere fordeler som gjør dem svært effektive for ulike bruksområder:

• Berøringsfri sensing: Disse sensorene registrerer tilstedeværelsen av magnetfelt uten fysisk kontakt, noe som reduserer slitasjen sammenlignet med mekaniske brytere.
• Holdbarhet: Hall-effektsensorer er solid-state-enheter, noe som betyr at de er mindre utsatt for mekaniske feil og kan fungere i tøffe omgivelser, inkludert eksponering for støv, smuss og fuktighet.
• Høy hastighet og følsomhet: De reagerer raskt på endringer i magnetfelt, noe som gjør dem egnet for høyhastighetsapplikasjoner som motorstyring og posisjonsavlesning.
• Allsidige bruksområder: Hall-effektsensorer kan brukes i en lang rekke bruksområder, inkludert bilsystemer (f.eks. hjulhastighetssensorer), forbrukerelektronikk (f.eks. smarttelefoner) og industriell automasjon (f.eks. nærhetsmåling).
• Lavt strømforbruk: Disse sensorene bruker vanligvis mindre strøm enn tradisjonelle mekaniske brytere, noe som gjør dem ideelle for batteridrevne enheter.

Operasjonell teori

Hall-effektsensorenes funksjonsteori er basert på Hall-effekten, som er et samspill mellom elektriske strømmer og magnetiske felt. Slik fungerer de:

1. Strømgjennomgang: En Hall-effektsensor består av en tynn stripe med ledende materiale (Hall-elementet) som en elektrisk strøm flyter gjennom. Denne strømmen genererer sitt eget magnetfelt.
2. Interaksjon med magnetfelt: Når et eksternt magnetfelt påføres vinkelrett på strømretningen, vil ladningsbærerne (elektroner eller hull) i det ledende materialet oppleve en kraft (Lorentz-kraft) som får dem til å avvike fra sin rettlinjede bane.
3. Generering av spenning: Denne avbøyningen resulterer i en konsentrasjon av ladningsbærere på den ene siden av Hall-elementet, noe som skaper en spenningsforskjell over de motsatte sidene av stripen, kjent som Hall-spenningen. Størrelsen på denne spenningen er proporsjonal med styrken på magnetfeltet.
4. Signalutgang: Sensoren måler denne Hall-spenningen og konverterer den til et utgangssignal. Avhengig av konstruksjonen kan denne utgangen være analog eller digital. I digitale applikasjoner kan sensoren for eksempel slå seg av eller på basert på om magnetfeltet overskrider en viss terskel.
5. Typer hall-effektsensorer: Avhengig av konfigurasjonen kan Hall-effektsensorer klassifiseres som:
   • Unipolare sensorer: Aktiveres med én polaritet av magnetfeltet.
   • Bipolare sensorer: Reagerer på begge polariteter.
   • Omnipolare sensorer: Kan aktiveres av enten et positivt eller negativt magnetfelt.

VIII. Induktive nærhetssensorer

Kjennetegn ved induktive nærhetssensorer

Induktive nærhetssensorer er spesialiserte enheter som primært er utviklet for å detektere metallgjenstander uten fysisk kontakt. Her er de viktigste egenskapene:

• Berøringsfri deteksjon: De kan detektere metallgjenstander uten å måtte berøre dem, noe som minimerer slitasjen på både sensoren og gjenstanden som detekteres.
• Følsomhet overfor metall: Disse sensorene er spesielt følsomme for ferromagnetiske materialer (som jern), men kan også detektere ikke-jernholdige metaller (som aluminium og kobber), avhengig av hvordan de er utformet.
• Deteksjonsområde: Detekteringsområdet varierer avhengig av metallgjenstandens størrelse og type, og strekker seg vanligvis fra noen få millimeter til flere centimeter.
• Robusthet: Induktive sensorer er slitesterke og kan fungere i tøffe omgivelser, inkludert eksponering for støv, fuktighet og ekstreme temperaturer.
• Høy hastighet: De kan skifte tilstand raskt, noe som gjør dem egnet for høyhastighetsapplikasjoner i automatiserings- og produksjonsprosesser.
• Enkel installasjon: Induktive nærhetssensorer er ofte enkle å installere og integrere i eksisterende systemer, og det finnes ulike monteringsalternativer.

Operasjonell metode

Funksjonsmetoden til induktive nærhetssensorer er basert på prinsippet om elektromagnetisk induksjon. Her er hvordan de fungerer:

1. Oscillatorkrets: Sensoren inneholder en oscillatorkrets som genererer et høyfrekvent, vekslende elektromagnetisk felt på sensorfronten. Dette elektromagnetiske feltet strekker seg inn i området rundt.
2. Generering av virvelstrømmer: Når en metallgjenstand nærmer seg dette elektromagnetiske feltet, induseres det virvelstrømmer i metallet. Disse strømmene flyter inne i metallgjenstanden på grunn av elektromagnetisk induksjon.
3. Amplitudeendring: Tilstedeværelsen av disse virvelstrømmene forårsaker energitap i svingningskretsen, noe som fører til en reduksjon i svingningsamplituden. Jo nærmere metallobjektet kommer, desto større blir energitapet og desto mer markant blir reduksjonen i svingningsamplituden.
4. Signaldeteksjon: Sensoren har en krets for amplitudedeteksjon som overvåker endringer i svingningsstatus. Når amplituden faller under en viss terskel på grunn av tilstedeværelsen av en metallgjenstand, registreres denne endringen.
5. Generering av utgangssignal: Sensoren konverterer deretter denne deteksjonen til et utgangssignal (vanligvis et binært signal), som indikerer om et objekt er til stede eller ikke. Dette utgangssignalet kan brukes til å utløse andre enheter eller prosesser i et automatiseringssystem.

IX. Sammenligning av ulike nærhetssensorteknologier

A. Styrker og begrensninger

Sensortype	Styrker	Begrensninger
Induktiv	Svært pålitelig for deteksjon av metalliske gjenstander Slitesterk og motstandsdyktig mot tøffe forhold Rask responstid	Begrenset til metalliske mål Følsom for elektromagnetiske forstyrrelser
Kapasitiv	Kan oppdage både metalliske og ikke-metalliske gjenstander Fungerer gjennom ikke-metalliske barrierer Justerbar følsomhet	Kortere måleområde sammenlignet med induktive sensorer Påvirkes av miljøfaktorer (luftfuktighet, temperatur)
Ultralyd	Berøringsfri deteksjon av ulike materialer Fungerer i tøffe miljøer Lang deteksjonsrekkevidde	Begrenset effektivitet i et vakuum Ytelsen kan påvirkes av objektets tekstur og lydabsorpsjon
Fotoelektrisk	Allsidig med ulike konfigurasjoner (gjennomstrålende, retroreflekterende) Rask responstid Kan oppdage gjennomsiktige objekter	Kompleks installasjon for enkelte typer Ytelsen kan variere med objektets farge og refleksjonsevne
Laser	Høy presisjon og lang rekkevidde Egnet for små eller fjerntliggende mål	Høyere kostnader og strømforbruk Sikkerhetsproblemer ved eksponering av øynene Begrenset ytelse med gjennomsiktige materialer

B. Egnede bruksområder for hver teknologi

Egnede bruksområder for hver teknologi

• Induktive nærhetssensorer:
  • Brukes ofte i industriell automasjon for å detektere metalldeler på transportbånd.
  • Ideell for posisjonsmåling i maskiner og utstyr.
• Kapasitive nærhetssensorer:
  • Egnet for deteksjon av ikke-metalliske materialer som væsker, pulver og plast.
  • Brukes ofte til emballering, næringsmiddelproduksjon og nivåmåling.
• Ultralydsnærhetssensorer:
  • Effektiv i bruksområder som krever avstandsmåling, for eksempel væskenivåmåling og objektdeteksjon i robotteknologi.
  • Brukes i bilsystemer for parkeringsassistanse.
• Fotoelektriske nærhetssensorer:
  • Mye brukt i emballasje, sorteringssystemer og materialhåndtering.
  • Egnet for deteksjon av gjennomsiktige gjenstander eller telling av gjenstander på et transportbånd.
• Nærhetssensorer med laser:
  • Brukes i applikasjoner som krever høy presisjon, for eksempel robotposisjonering og automatiserte inspeksjonssystemer.
  • Vanlig innen logistikk for måling av avstander eller dimensjoner på pakker.

Konklusjon: Mangfoldet av teknologier for nærhetssensorer

Mangfoldet av nærhetssensorteknologier gjenspeiler de varierte kravene som stilles til moderne automasjons- og kontrollsystemer. Hver sensortype har unike styrker som gjør den egnet for spesifikke bruksområder, samtidig som den også har begrensninger som må tas i betraktning ved valg av sensor. Induktive sensorer utmerker seg når det gjelder å detektere metaller, mens kapasitive sensorer er allsidige i forhold til ulike materialer. Ultralydsensorer gir robuste avstandsmålingsegenskaper, mens fotoelektriske sensorer er foretrukket for sin hastighet og tilpasningsevne. Lasersensorer skiller seg ut med sin presisjon over lange avstander.

Artikkel Kilde:

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

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