Wat zijn enkele andere technologieën die worden gebruikt in nabijheidssensoren?

I. Inleiding tot benaderingssensortechnologieën

Nabijheidssensoren zijn essentiële apparaten die worden gebruikt om de aan- of afwezigheid van een object binnen een bepaald bereik te detecteren zonder fysiek contact. Ze werken door verschillende vormen van energie uit te zenden, zoals elektromagnetische velden, geluidsgolven of licht, en de respons te meten wanneer een object in de buurt van de sensor komt. De diversiteit in benaderingssensortechnologieën maakt hun toepassing mogelijk in tal van domeinen, waaronder industriële automatisering, robotica, automobielsystemen en consumentenelektronica.

II. Capacitieve naderingssensoren

Belangrijkste kenmerken van capacitieve benaderingsschakelaars

Capacitieve naderingssensoren zijn veelzijdige apparaten die de aanwezigheid van objecten detecteren zonder fysiek contact. Dit zijn hun belangrijkste kenmerken:

• Detectiebereik: Meestal kunnen capacitieve sensoren objecten detecteren binnen een bereik van enkele millimeters tot ongeveer 1 inch (25 mm), waarbij sommige modellen tot 2 inch kunnen reiken.
• Materiaalgevoeligheid: Deze sensoren kunnen zowel metalen als niet-metalen materialen detecteren, waaronder vloeistoffen, kunststoffen en glas, dankzij hun vermogen om veranderingen in capaciteit te detecteren op basis van de diëlektrische constante van het doelmateriaal.
• Contactloze werking: Ze werken zonder fysiek contact, wat slijtage vermindert en de levensduur van de sensor verlengt.
• Instelbare gevoeligheid: Veel capacitieve sensoren hebben een potentiometer om de gevoeligheid aan te passen, zodat gebruikers de detectieparameters voor specifieke toepassingen nauwkeurig kunnen afstellen.
• LED-indicatoren: De meeste modellen zijn uitgerust met LED-indicatoren om de operationele status van de sensor visueel te bevestigen.

Werkingsprincipe

Capacitieve naderingssensoren werken volgens het principe van capaciteitsveranderingen veroorzaakt door nabijgelegen objecten. Zo werken ze:

1. Constructie: De sensor bestaat uit twee metalen elektroden die een condensator vormen. Eén elektrode is verbonden met een oscillatorcircuit, terwijl de andere als referentieplaat fungeert.
2. Capaciteitsverandering: Wanneer een voorwerp de sensor nadert, komt het in het elektrische veld tussen de elektroden terecht. Deze aanwezigheid verandert de diëlektrische constante tussen de platen, waardoor de capaciteit van het systeem verandert.
3. Oscillatiedetectie: Het oscillatorcircuit detecteert deze veranderingen in capaciteit. Als een object nadert, neemt de capaciteit toe, wat leidt tot een verandering in de oscillatiefrequentie van het circuit. Deze frequentieverschuiving wordt gecontroleerd door een versterker en omgezet in een binair uitgangssignaal dat de aanwezigheid van het object aangeeft.
4. Uitgangssignaal: Wanneer de oscillatie een bepaalde drempelamplitude bereikt, wordt de uitgangstoestand van de sensor gewijzigd. Omgekeerd, wanneer het object weg beweegt, neemt de amplitude af, waardoor de uitgang terugkeert naar de oorspronkelijke toestand.
5. Milieu-overwegingen: Voor optimale prestaties moeten capacitieve sensoren gebruikt worden in omgevingen met stabiele temperatuur- en vochtigheidsniveaus, aangezien schommelingen hun gevoeligheid en nauwkeurigheid kunnen beïnvloeden.

III. Ultrasone naderingssensoren

Voordelen van ultrasone naderingssensoren

Ultrasone naderingssensoren bieden diverse voordelen die ze geschikt maken voor diverse toepassingen:

• Onafhankelijkheid van materiaal: Ze kunnen alle soorten materialen detecteren, inclusief glanzende, transparante en onregelmatig gevormde objecten, zonder beïnvloed te worden door de kleur of oppervlaktestructuur van het object.
• Groot detectiebereik: Ultrasone sensoren kunnen afstanden van meer dan 1 meter meten, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen die detectie over een groot bereik vereisen.
• Robuuste prestaties in ongunstige omstandigheden: Deze sensoren worden niet beïnvloed door omgevingsfactoren zoals stof, regen of sneeuw, die andere sensortypes kunnen hinderen. De werking blijft betrouwbaar, zelfs in moeilijke omstandigheden.
• Hoge gevoeligheid en nauwkeurigheid: Ultrasone sensoren leveren nauwkeurige metingen en kunnen kleine voorwerpen over aanzienlijke afstanden detecteren.
• Veelzijdige toepassingen: Ze worden op grote schaal gebruikt in verschillende industrieën voor taken zoals niveaumeting, objectdetectie en geautomatiseerde procesbesturing, wat hun aanpassingsvermogen in verschillende scenario's bewijst.

Bedieningsmechanisme

Het werkingsmechanisme van ultrasone naderingssensoren is gebaseerd op het uitzenden en ontvangen van geluidsgolven met een hoge frequentie. Zo werken ze:

1. Uitzending van geluidsgolven: De sensor zendt ultrasone geluidsgolven (meestal boven 20 kHz) uit naar het doelobject.
2. Reflectie: Deze geluidsgolven reizen totdat ze een object raken en worden teruggekaatst naar de sensor.
3. Tijdmeting: De sensor meet de tijd die de uitgezonden geluidsgolven nodig hebben om terug te keren nadat ze het object hebben geraakt. Dit tijdsinterval is cruciaal voor het bepalen van de afstand tot het object.
4. Berekening van de afstand: Met de formule Afstand = (Geluidssnelheid × Tijd) / 2 berekent de sensor de afstand tot het object op basis van de geluidssnelheid in lucht (ongeveer 343 meter per seconde bij kamertemperatuur) en de gemeten tijd.
5. Outputsignaal genereren: Zodra de afstand is berekend, genereert de sensor een uitgangssignaal dat aangeeft of een object zich binnen een vooraf bepaald bereik bevindt, waardoor verschillende toepassingen mogelijk zijn, zoals het activeren van alarmen of het besturen van machines.

IV. Magnetische naderingssensoren

Typen magnetische benaderingsschakelaars

Magnetische naderingssensoren kunnen worden onderverdeeld in verschillende typen op basis van hun werkingsprincipes en toepassingen:

• Rietschakelaar: Dit is een magnetisch gestuurde schakelaar die bestaat uit twee ferromagnetische tongen in een glazen capsule. Wanneer er een magnetisch veld aanwezig is, komen de tongen samen om een elektrisch circuit te voltooien.
• Hall-effectsensor: Maakt gebruik van het Hall-effectprincipe, waarbij een spanning wordt opgewekt over een geleider wanneer deze wordt blootgesteld aan een magnetisch veld. Deze sensor detecteert de aanwezigheid van magneten en levert dienovereenkomstig een uitgangssignaal.
• Magnetostrictieve sensor: Meet de positie van een magnetisch object met behulp van het magnetostrictieve effect, waarbij veranderingen in het magnetische veld de eigenschappen van een materiaal beïnvloeden.
• Magneto-resistieve sensor: Werkt op basis van het magneto-resistieve effect, waarbij de elektrische weerstand van een ferromagnetisch materiaal verandert in reactie op een extern magnetisch veld.
• Inductieve magnetische naderingssensor: Vergelijkbaar met inductieve sensoren, maar specifiek ontworpen om magnetische velden te detecteren in plaats van metalen voorwerpen. Ze gebruiken een oscillerende spoel om een magnetisch veld te genereren en detecteren veranderingen wanneer een permanente magneet nadert.

Functionaliteit

De functionaliteit van magnetische naderingssensoren draait om hun vermogen om magnetische velden te detecteren en overeenkomstige uitgangssignalen te leveren. Zo werken ze:

1. Detectiemechanisme: Magnetische naderingssensoren detecteren de aanwezigheid van magnetische objecten (zoals permanente magneten) volgens verschillende principes, waaronder de hierboven genoemde. Elk type heeft zijn eigen unieke detectiemethode:
   • Reed-schakelaars sluiten contacten wanneer ze worden blootgesteld aan een magnetisch veld.
   • Hall-effectsensoren genereren een spanningssignaal als reactie op magneten in de buurt.
   • Magnetostrictieve en magneto-resistieve sensoren meten veranderingen in materiaaleigenschappen als gevolg van magnetische invloeden.
2. Signaalverwerking: Zodra een verandering in het magnetische veld is gedetecteerd, verwerkt de sensor deze informatie om een uitgangssignaal te genereren. Dit signaal kan digitaal (aan/uit) of analoog zijn, afhankelijk van de toepassing en het sensortype.
3. Activering uitgang: Het uitgangssignaal kan verschillende acties activeren, zoals het activeren van alarmen, het aansturen van motoren of het geven van feedback in geautomatiseerde systemen. De sensoren worden vaak gebruikt in toepassingen zoals beveiligingssystemen (voor deuren en ramen), industriële automatisering (positiedetectie) en consumentenelektronica.
4. Flexibele installatie: Magnetische naderingssensoren kunnen verzonken of niet-verzonken worden geïnstalleerd in verschillende omgevingen, inclusief die met niet-magnetische materialen zoals plastic of hout, waardoor ze veelzijdig kunnen worden toegepast in verschillende omgevingen.

V. Optische naderingssensoren （foto-elektrische sensoren）

Werkingsprincipes van optische naderingssensoren

Optische naderingssensoren maken gebruik van licht om de aan- of afwezigheid van objecten binnen hun detectiebereik te detecteren. Het fundamentele werkingsprincipe bestaat uit het uitzenden van licht, meestal in het infrarode of zichtbare spectrum, en het meten van het licht dat door een object wordt weerkaatst. Hier wordt uitgelegd hoe ze werken:

1. Lichtuitstraling: De sensor zendt een lichtstraal uit naar het doelobject. Dit licht kan worden gegenereerd door verschillende bronnen, waaronder LED's of lasers.
2. Reflectiedetectie: Wanneer het uitgezonden licht een object tegenkomt, wordt een deel ervan teruggekaatst naar de sensor. De hoeveelheid en intensiteit van dit gereflecteerde licht zijn afhankelijk van de afstand tot het object en de eigenschappen van het oppervlak.
3. Signaalverwerking: De ontvanger van de sensor detecteert het gereflecteerde licht. Als de hoeveelheid gereflecteerd licht een bepaalde drempel overschrijdt, bepaalt de sensor dat er een object aanwezig is en genereert hij een uitgangssignaal (digitaal of analoog) om de detectie aan te geven.
4. Afstandsmeting: Bij sommige geavanceerde optische sensoren kan de tijd die het licht nodig heeft om terug te keren (in het geval van lasersensoren) gemeten worden om de precieze afstand tot het object te berekenen.

Dankzij deze methode kunnen optische naderingssensoren zeer effectief voorwerpen detecteren zonder contact, waardoor ze geschikt zijn voor verschillende toepassingen in automatisering, beveiliging en consumentenelektronica.

Verschillende soorten optische naderingssensoren

Optische naderingssensoren kunnen worden ingedeeld in verschillende types op basis van hun ontwerp en werkingsprincipes:

• Infrarood (IR) sensoren: Deze sensoren zenden infrarood licht uit en detecteren veranderingen in gereflecteerde IR-straling. Ze worden vaak gebruikt in toepassingen zoals automatische deuren en veiligheidssystemen.
• Lasersensoren: Deze sensoren maken gebruik van laserstralen en bieden een hoge precisie en detectiemogelijkheden over grote afstanden. Ze worden vaak gebruikt in industriële toepassingen die nauwkeurige afstandsmetingen vereisen.
• Foto-elektrische sensoren: Deze bestaan uit een lichtbron (meestal een LED) en een ontvanger. Ze kunnen in verschillende modi werken:
  • Doorstraal: De zender en ontvanger bevinden zich tegenover elkaar; een object onderbreekt de lichtstraal.
  • Retro-reflectief: De zender en ontvanger bevinden zich aan dezelfde kant, met een reflector die het uitgezonden licht terugkaatst naar de ontvanger.
  • Diffuse reflectie: De zender en ontvanger zitten bij elkaar; de sensor detecteert licht dat wordt gereflecteerd door een object dat zich direct ervoor bevindt.
• Time-of-Flight (ToF) sensoren: Deze geavanceerde sensoren meten de tijd die een lichtpuls nodig heeft om naar een object en terug te reizen, waardoor een nauwkeurige afstandsmeting mogelijk is.

VI. Naderingsschakelaars met Hall-effect

Belangrijkste voordelen van Hall-effect naderingsschakelaars

Naderingssensoren met Hall-effect bieden diverse voordelen waardoor ze zeer effectief zijn voor diverse toepassingen:

• Contactloze detectie: Deze sensoren detecteren de aanwezigheid van magnetische velden zonder fysiek contact, waardoor minder slijtage optreedt in vergelijking met mechanische schakelaars.
• Duurzaamheid: Hall-effectsensoren zijn halfgeleiders, wat betekent dat ze minder gevoelig zijn voor mechanische defecten en kunnen werken in zware omstandigheden, zoals blootstelling aan stof, vuil en vocht.
• Hoge snelheid en gevoeligheid: Ze kunnen snel reageren op veranderingen in magnetische velden, waardoor ze geschikt zijn voor hogesnelheidstoepassingen zoals motorbesturing en positiebepaling.
• Veelzijdige toepassingen: Hall-effectsensoren kunnen worden gebruikt in een groot aantal toepassingen, waaronder autosystemen (bijv. wielsnelheidssensoren), consumentenelektronica (bijv. smartphones) en industriële automatisering (bijv. nabijheidssensoren).
• Laag stroomverbruik: Deze sensoren verbruiken doorgaans minder stroom dan traditionele mechanische schakelaars, waardoor ze ideaal zijn voor apparaten die op batterijen werken.

Operationele theorie

De werking van Hall-effect naderingssensoren is gebaseerd op het Hall-effect, waarbij elektrische stromen en magnetische velden met elkaar reageren. Zo werken ze:

1. Stroomdoorgang: Een Hall-effectsensor bestaat uit een dunne strook geleidend materiaal (het Hall-element) waar een elektrische stroom doorheen loopt. Deze stroom genereert zijn eigen magnetische veld.
2. Interactie met magnetisch veld: Wanneer een extern magnetisch veld loodrecht op de stroomrichting wordt aangelegd, ondervinden de ladingsdragers (elektronen of gaten) in het geleidende materiaal een kracht (Lorentz-kracht) waardoor ze van hun rechte pad afwijken.
3. Spanning genereren: Deze afbuiging resulteert in een concentratie van ladingsdragers aan één kant van het Hall-element, waardoor een spanningsverschil ontstaat over de tegenoverliggende zijden van de strip, bekend als de Hall-spanning. De grootte van deze spanning is evenredig met de sterkte van het magnetische veld.
4. Signaaluitgang: De sensor meet deze Hall-spanning en zet deze om in een uitgangssignaal. Afhankelijk van het ontwerp kan deze uitgang analoog of digitaal zijn. In digitale toepassingen kan de sensor bijvoorbeeld in- of uitschakelen op basis van of het magnetische veld een bepaalde drempel overschrijdt.
5. Soorten Hall-effectsensoren: Afhankelijk van hun configuratie kunnen Hall-effectsensoren worden geclassificeerd als:
   • Unipolaire sensoren: Activeren bij één polariteit van het magnetische veld.
   • Bipolaire sensoren: Reageren op beide polariteiten.
   • Omnipolaire sensoren: Kunnen worden geactiveerd door een positief of negatief magnetisch veld.

VIII. Inductieve naderingssensoren

Kenmerken van inductieve naderingssensoren

Inductieve naderingssensoren zijn gespecialiseerde apparaten die voornamelijk zijn ontworpen voor het detecteren van metalen voorwerpen zonder fysiek contact. Dit zijn hun belangrijkste kenmerken:

• Contactloze detectie: Ze kunnen metalen voorwerpen detecteren zonder ze te hoeven aanraken, waardoor slijtage van zowel de sensor als het gedetecteerde voorwerp tot een minimum wordt beperkt.
• Gevoeligheid voor metaal: Deze sensoren zijn bijzonder gevoelig voor ferromagnetische materialen (zoals ijzer), maar kunnen afhankelijk van het ontwerp ook non-ferrometalen (zoals aluminium en koper) detecteren.
• Detectiebereik: Het detectiebereik varieert afhankelijk van de grootte en het type van het metalen object, meestal van enkele millimeters tot enkele centimeters.
• Robuustheid: Inductieve sensoren zijn duurzaam en kunnen werken in zware omgevingen, waaronder blootstelling aan stof, vocht en extreme temperaturen.
• Hoge snelheid: Ze kunnen snel van toestand veranderen, waardoor ze geschikt zijn voor hogesnelheidstoepassingen in automatiserings- en productieprocessen.
• Eenvoudige installatie: Inductieve naderingssensoren zijn vaak eenvoudig te installeren en te integreren in bestaande systemen, met verschillende montagemogelijkheden.

Operationele methode

De werking van inductieve naderingssensoren is gebaseerd op het principe van elektromagnetische inductie. Zo werken ze:

1. Oscillatorcircuit: De sensor bevat een oscillatorcircuit dat een hoogfrequent wisselend elektromagnetisch veld genereert aan de voorkant van de sensor. Dit elektromagnetische veld strekt zich uit tot in de omgeving.
2. Wervelstroomopwekking: Wanneer een metalen voorwerp dit elektromagnetische veld nadert, induceert het wervelstromen in het metaal. Deze stromen vloeien in het metalen voorwerp als gevolg van elektromagnetische inductie.
3. Amplitudeverandering: De aanwezigheid van deze wervelstromen veroorzaakt energieverlies in het oscillerende circuit, wat leidt tot een vermindering van de amplitude van de oscillatie. Hoe dichter het metalen voorwerp komt, hoe groter het energieverlies en hoe significanter de afname van de oscillatieamplitude.
4. Signaaldetectie: De sensor bevat een amplitudedetectiecircuit dat veranderingen in de oscillatiestatus controleert. Wanneer de amplitude onder een bepaalde drempel zakt door de aanwezigheid van een metalen voorwerp, wordt deze verandering gedetecteerd.
5. Outputsignaal genereren: De sensor zet deze detectie om in een uitgangssignaal (meestal een binair signaal) dat aangeeft of een object aanwezig is of niet. Deze uitgang kan worden gebruikt om andere apparaten of processen in een automatiseringssysteem te activeren.

IX. Vergelijking van verschillende benaderingssensortechnologieën

A. Sterke punten en beperkingen

Type sensor	Sterke punten	Beperkingen
Inductief	Zeer betrouwbaar voor het detecteren van metalen voorwerpen Duurzaam en bestand tegen zware omstandigheden Snelle reactietijd	Beperkt tot metalen doelen Gevoelig voor elektromagnetische interferentie
Capacitief	Kan zowel metalen als niet-metalen voorwerpen detecteren Werkt door niet-metalen barrières Instelbare gevoeligheid	Korter detectiebereik vergeleken met inductieve sensoren Beïnvloed door omgevingsfactoren (vochtigheid, temperatuur)
Ultrasoon	Contactloze detectie van verschillende materialen Werkt in veeleisende omgevingen Lang detectiebereik	Beperkte effectiviteit in een vacuüm Prestaties kunnen worden beïnvloed door objecttextuur en geluidsabsorptie
Foto-elektrisch	Veelzijdig met verschillende configuraties (zender-ontvanger, retroreflecterend) Snelle reactietijd Kan transparante objecten detecteren	Complexe installatie voor sommige types Prestaties kunnen variëren afhankelijk van objectkleur en reflectiviteit
Laser	Hoge precisie en langeafstandsdetectie Geschikt voor kleine of verafgelegen doelen	Hogere kosten en stroomverbruik Veiligheidsproblemen bij blootstelling van de ogen Beperkte prestaties met transparante materialen

B. Geschikte toepassingen voor elke technologie

Geschikte toepassingen voor elke technologie

• Inductieve benaderingssensoren:
  • Vaak gebruikt in de industriële automatisering voor het detecteren van metalen onderdelen op transportbanden.
  • Ideaal voor positiebepaling in machines en apparatuur.
• Capacitieve benaderingssensoren:
  • Geschikt voor het detecteren van niet-metalen materialen zoals vloeistoffen, poeders en kunststoffen.
  • Vaak gebruikt in toepassingen voor verpakking, voedselverwerking en niveaumeting.
• Ultrasone naderingssensoren:
  • Effectief in toepassingen die afstandmeting vereisen, zoals detectie van vloeistofniveaus en objectdetectie in robotica.
  • Gebruikt in autosystemen voor parkeerhulp.
• Foto-elektrische benaderingssensoren:
  • Op grote schaal gebruikt in verpakkingen, sorteersystemen en materiaalverwerking.
  • Geschikt voor het detecteren van transparante voorwerpen of het tellen van voorwerpen op een transportband.
• Laser Nabijheidssensoren:
  • Gebruikt in toepassingen die een hoge precisie vereisen, zoals robotpositionering en geautomatiseerde inspectiesystemen.
  • Wordt vaak gebruikt in de logistiek om afstanden of afmetingen van pakketten te meten.

Conclusie: Diversiteit van benaderingsdetectietechnologieën

De diversiteit van naderingsdetectietechnologieën weerspiegelt de uiteenlopende vereisten van moderne automatiserings- en besturingssystemen. Elk sensortype heeft unieke sterke punten die het geschikt maken voor specifieke toepassingen, maar ook beperkingen waarmee rekening moet worden gehouden tijdens de selectie. Inductieve sensoren blinken uit in het detecteren van metalen, terwijl capacitieve sensoren veelzijdigheid bieden met verschillende materialen. Ultrasone sensoren bieden robuuste mogelijkheden voor afstandsmeting, terwijl foto-elektrische sensoren favoriet zijn vanwege hun snelheid en aanpasbaarheid. Lasersensoren onderscheiden zich door hun precisie over lange afstanden.

Artikel Bron:

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

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