Jakie są inne technologie stosowane w czujnikach zbliżeniowych?

I. Wprowadzenie do technologii czujników zbliżeniowych

Czujniki zbliżeniowe to podstawowe urządzenia służące do wykrywania obecności lub nieobecności obiektu w określonym zakresie bez fizycznego kontaktu. Ich działanie polega na emitowaniu różnych form energii - takich jak pole elektromagnetyczne, fale dźwiękowe lub światło - i mierzeniu reakcji, gdy obiekt zbliża się do czujnika. Różnorodność technologii czujników zbliżeniowych pozwala na ich zastosowanie w wielu dziedzinach, w tym w automatyce przemysłowej, robotyce, systemach motoryzacyjnych i elektronice użytkowej.

II. Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe

Kluczowe cechy pojemnościowych czujników zbliżeniowych

Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe to wszechstronne urządzenia, które wykrywają obecność obiektów bez fizycznego kontaktu. Oto ich najważniejsze cechy:

• Zakres wykrywania: Zazwyczaj czujniki pojemnościowe mogą wykrywać obiekty w zakresie od kilku milimetrów do około 1 cala (25 mm), a niektóre modele nawet do 2 cali.
• Czułość materiałowa: Czujniki te mogą wykrywać zarówno materiały metalowe, jak i niemetalowe, w tym ciecze, tworzywa sztuczne i szkło, dzięki ich zdolności do wykrywania zmian pojemności w oparciu o stałą dielektryczną materiału docelowego.
• Działanie bezdotykowe: Działają bez fizycznego kontaktu, co zmniejsza zużycie i wydłuża żywotność czujnika.
• Regulowana czułość: Wiele czujników pojemnościowych posiada potencjometr do regulacji czułości, umożliwiając użytkownikom precyzyjne dostrojenie parametrów wykrywania do konkretnych zastosowań.
• Wskaźniki LED: Większość modeli jest wyposażona we wskaźniki LED, które wizualnie potwierdzają stan pracy czujnika.

Zasada działania

Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe działają w oparciu o zasadę zmian pojemności powodowanych przez pobliskie obiekty. Oto jak one działają:

1. Budowa: Czujnik składa się z dwóch metalowych elektrod tworzących kondensator. Jedna elektroda jest podłączona do obwodu oscylatora, podczas gdy druga działa jako płytka referencyjna.
2. Zmiana pojemności: Gdy obiekt zbliża się do czujnika, wchodzi w pole elektryczne wytworzone między elektrodami. Ta obecność zmienia stałą dielektryczną między płytkami, co z kolei zmienia pojemność systemu.
3. Wykrywanie oscylacji: Obwód oscylatora wykrywa zmiany pojemności. W miarę zbliżania się obiektu pojemność wzrasta, co prowadzi do zmiany częstotliwości oscylacji obwodu. Ta zmiana częstotliwości jest monitorowana przez wzmacniacz i przekształcana w binarny sygnał wyjściowy wskazujący obecność obiektu.
4. Sygnał wyjściowy: Gdy oscylacja osiąga określoną amplitudę progową, powoduje zmianę stanu wyjściowego czujnika. I odwrotnie, gdy obiekt się oddala, amplituda maleje, przywracając sygnał wyjściowy do pierwotnego stanu.
5. Względy środowiskowe: Aby uzyskać optymalną wydajność, czujniki pojemnościowe powinny być używane w środowiskach o stabilnych poziomach temperatury i wilgotności, ponieważ wahania mogą wpływać na ich czułość i dokładność.

III. Ultradźwiękowe czujniki zbliżeniowe

Zalety ultradźwiękowych czujników zbliżeniowych

Ultradźwiękowe czujniki zbliżeniowe mają kilka zalet, które sprawiają, że nadają się do różnych zastosowań:

• Niezależność materiałowa: Mogą wykrywać wszystkie rodzaje materiałów, w tym obiekty błyszczące, przezroczyste i o nieregularnych kształtach, bez wpływu na kolor lub teksturę powierzchni obiektu.
• Duży zasięg wykrywania: Czujniki ultradźwiękowe mogą mierzyć odległości większe niż 1 metr, dzięki czemu idealnie nadają się do zastosowań wymagających wykrywania dalekiego zasięgu.
• Solidne działanie w niekorzystnych warunkach: Na działanie tych czujników nie mają wpływu czynniki środowiskowe, takie jak kurz, deszcz lub śnieg, które mogą utrudniać działanie innych typów czujników. Ich działanie pozostaje niezawodne nawet w trudnych warunkach.
• Wysoka czułość i dokładność: Czujniki ultradźwiękowe zapewniają precyzyjne pomiary i są w stanie wykrywać małe obiekty na znacznych odległościach.
• Wszechstronne zastosowania: Są one szeroko stosowane w różnych branżach do zadań takich jak pomiar poziomu, wykrywanie obiektów i zautomatyzowana kontrola procesu, co dowodzi ich zdolności adaptacyjnych w różnych scenariuszach.

Mechanizm działania

Mechanizm działania ultradźwiękowych czujników zbliżeniowych opiera się na emisji i odbiorze fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości. Oto jak one działają:

1. Emisja fal dźwiękowych: Czujnik emituje ultradźwiękowe fale dźwiękowe (zazwyczaj powyżej 20 kHz) w kierunku obiektu docelowego.
2. Odbicie: Fale dźwiękowe przemieszczają się do momentu uderzenia w obiekt i są odbijane z powrotem w kierunku czujnika.
3. Pomiar czasu: Czujnik mierzy czas powrotu emitowanych fal dźwiękowych po uderzeniu w obiekt. Ten przedział czasu ma kluczowe znaczenie dla określenia odległości do obiektu.
4. Obliczanie odległości: Korzystając ze wzoru Odległość = (Prędkość dźwięku × Czas) / 2, czujnik oblicza odległość do obiektu na podstawie prędkości dźwięku w powietrzu (około 343 metrów na sekundę w temperaturze pokojowej) i zmierzonego czasu.
5. Generowanie sygnału wyjściowego: Po obliczeniu odległości czujnik generuje sygnał wyjściowy wskazujący, czy obiekt znajduje się we wcześniej określonym zakresie, umożliwiając różne zastosowania, takie jak wyzwalanie alarmów lub sterowanie maszynami.

IV. Magnetyczne czujniki zbliżeniowe

Rodzaje magnetycznych czujników zbliżeniowych

Magnetyczne czujniki zbliżeniowe można podzielić na kilka typów w oparciu o ich zasady działania i zastosowania:

• Przełącznik kontaktronowy: Jest to przełącznik uruchamiany magnetycznie, który składa się z dwóch ferromagnetycznych kontaktronów zamkniętych w szklanej kapsule. Gdy obecne jest pole magnetyczne, trzciny łączą się, aby zakończyć obwód elektryczny.
• Czujnik efektu Halla: Wykorzystuje zasadę efektu Halla, w której napięcie jest generowane na przewodniku, gdy jest on wystawiony na działanie pola magnetycznego. Czujnik ten wykrywa obecność magnesów i odpowiednio dostarcza sygnał wyjściowy.
• Czujnik magnetostrykcyjny: Mierzy pozycję obiektu magnetycznego wykorzystując efekt magnetostrykcji, który polega na zmianach pola magnetycznego wpływających na właściwości materiału.
• Czujnik magnetorezystancyjny: Działa w oparciu o efekt magnetorezystancyjny, w którym rezystancja elektryczna materiału ferromagnetycznego zmienia się w odpowiedzi na zewnętrzne pole magnetyczne.
• Indukcyjny magnetyczny czujnik zbliżeniowy: Podobne do czujników indukcyjnych, ale zaprojektowane specjalnie do wykrywania pól magnetycznych, a nie obiektów metalowych. Wykorzystują oscylującą cewkę do generowania pola magnetycznego i wykrywania zmian, gdy zbliża się magnes stały.

Funkcjonalność

Funkcjonalność magnetycznych czujników zbliżeniowych opiera się na ich zdolności do wykrywania pól magnetycznych i dostarczania odpowiednich sygnałów wyjściowych. Oto jak one działają:

1. Mechanizm wykrywania: Magnetyczne czujniki zbliżeniowe wykrywają obecność obiektów magnetycznych (takich jak magnesy trwałe) na różnych zasadach, w tym wymienionych powyżej. Każdy typ ma swoją unikalną metodę wykrywania:
   • Kontaktrony zamykają styki pod wpływem pola magnetycznego.
   • Czujniki hallotronowe generują sygnał napięciowy w odpowiedzi na pobliskie magnesy.
   • Czujniki magnetostrykcyjne i magnetorezystancyjne mierzą zmiany właściwości materiału pod wpływem oddziaływania magnetycznego.
2. Przetwarzanie sygnału: Po wykryciu zmiany pola magnetycznego czujnik przetwarza te informacje w celu wygenerowania sygnału wyjściowego. Sygnał ten może być cyfrowy (włączony/wyłączony) lub analogowy, w zależności od zastosowania i typu czujnika.
3. Aktywacja wyjścia: Sygnał wyjściowy może wyzwalać różne działania, takie jak aktywacja alarmów, sterowanie silnikami lub dostarczanie informacji zwrotnych w zautomatyzowanych systemach. Czujniki są często wykorzystywane w aplikacjach takich jak systemy bezpieczeństwa (do drzwi i okien), automatyka przemysłowa (wykrywanie pozycji) i elektronika użytkowa.
4. Elastyczność instalacji: Magnetyczne czujniki zbliżeniowe mogą być instalowane podtynkowo lub bez podtynkowo w różnych środowiskach, w tym w środowiskach z materiałami niemagnetycznymi, takimi jak plastik lub drewno, co pozwala na wszechstronne zastosowanie w różnych środowiskach.

V. Optyczne czujniki zbliżeniowe (czujniki fotoelektryczne)

Zasady działania optycznych czujników zbliżeniowych

Optyczne czujniki zbliżeniowe wykorzystują światło do wykrywania obecności lub nieobecności obiektów w ich zasięgu wykrywania. Podstawowa zasada działania polega na emitowaniu światła, zazwyczaj w podczerwieni lub widmie widzialnym, i pomiarze światła odbitego od obiektu. Poniżej znajduje się opis ich działania:

1. Emisja światła: Czujnik emituje wiązkę światła w kierunku obiektu docelowego. Światło to może być generowane przez różne źródła, w tym diody LED lub lasery.
2. Wykrywanie odbicia: Gdy emitowane światło napotyka obiekt, jego część jest odbijana z powrotem w kierunku czujnika. Ilość i intensywność tego odbitego światła zależy od odległości i charakterystyki powierzchni obiektu.
3. Przetwarzanie sygnału: Odbiornik czujnika wykrywa odbite światło. Jeśli ilość odbitego światła przekracza określony próg, czujnik określa, że obiekt jest obecny i generuje sygnał wyjściowy (cyfrowy lub analogowy) wskazujący wykrycie.
4. Pomiar odległości: W niektórych zaawansowanych czujnikach optycznych czas powrotu światła (w przypadku czujników laserowych) może być mierzony w celu obliczenia dokładnej odległości do obiektu.

Dzięki tej metodzie optyczne czujniki zbliżeniowe są bardzo skuteczne w wykrywaniu obiektów bez kontaktu, co czyni je odpowiednimi do różnych zastosowań w automatyce, bezpieczeństwie i elektronice użytkowej.

Różne rodzaje optycznych czujników zbliżeniowych

Optyczne czujniki zbliżeniowe można podzielić na kilka typów w oparciu o ich konstrukcję i zasady działania:

• Czujniki podczerwieni (IR): Czujniki te emitują światło podczerwone i wykrywają zmiany w odbitym promieniowaniu podczerwonym. Są one powszechnie stosowane w aplikacjach takich jak drzwi automatyczne i systemy bezpieczeństwa.
• Czujniki laserowe: Wykorzystując wiązki laserowe, czujniki te zapewniają wysoką precyzję i możliwość wykrywania na dużych odległościach. Są one często wykorzystywane w zastosowaniach przemysłowych wymagających dokładnych pomiarów odległości.
• Czujniki fotoelektryczne: Składają się one ze źródła światła (zwykle diody LED) i odbiornika. Mogą działać w różnych trybach:
  • Wiązka przelotowa: Nadajnik i odbiornik są umieszczone naprzeciwko siebie; obiekt przerywa wiązkę światła.
  • Odblaskowe: Nadajnik i odbiornik znajdują się po tej samej stronie, a odbłyśnik odbija emitowane światło z powrotem do odbiornika.
  • Odbicie rozproszone: Nadajnik i odbiornik są umieszczone razem; czujnik wykrywa światło odbite od obiektu znajdującego się bezpośrednio przed nim.
• Czujniki czasu przelotu (ToF): Te zaawansowane czujniki mierzą czas potrzebny impulsowi światła na dotarcie do obiektu i z powrotem, umożliwiając dokładny pomiar odległości.

VI. Czujniki zbliżeniowe z efektem Halla

Kluczowe zalety czujników zbliżeniowych z efektem Halla

Czujniki zbliżeniowe z efektem Halla oferują kilka zalet, które sprawiają, że są one bardzo skuteczne w różnych zastosowaniach:

• Czujniki bezdotykowe: Czujniki te wykrywają obecność pól magnetycznych bez fizycznego kontaktu, zmniejszając zużycie w porównaniu z przełącznikami mechanicznymi.
• Trwałość: czujniki hallotronowe są urządzeniami półprzewodnikowymi, co oznacza, że są mniej podatne na awarie mechaniczne i mogą pracować w trudnych warunkach, w tym w kurzu, brudzie i wilgoci.
• Duża szybkość i czułość: Mogą szybko reagować na zmiany pola magnetycznego, dzięki czemu nadają się do szybkich zastosowań, takich jak sterowanie silnikiem i wykrywanie położenia.
• Wszechstronne zastosowania: Czujniki hallotronowe mogą być wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, w tym w systemach motoryzacyjnych (np. czujniki prędkości kół), elektronice użytkowej (np. smartfony) i automatyce przemysłowej (np. czujniki zbliżeniowe).
• Niskie zużycie energii: Czujniki te zazwyczaj zużywają mniej energii niż tradycyjne przełączniki mechaniczne, dzięki czemu idealnie nadają się do urządzeń zasilanych bateryjnie.

Teoria operacyjna

Teoria działania czujników zbliżeniowych z efektem Halla opiera się na zjawisku efektu Halla, które obejmuje interakcję między prądami elektrycznymi i polami magnetycznymi. Oto jak one działają:

1. Przepływ prądu: Czujnik Halla składa się z cienkiego paska materiału przewodzącego (element Halla), przez który przepływa prąd elektryczny. Prąd ten generuje własne pole magnetyczne.
2. Oddziaływanie pola magnetycznego: Gdy zewnętrzne pole magnetyczne jest przyłożone prostopadle do kierunku przepływu prądu, nośniki ładunku (elektrony lub dziury) w materiale przewodzącym doświadczają siły (siła Lorentza), która powoduje ich odchylenie od prostoliniowej ścieżki.
3. Generowanie napięcia: Odchylenie to powoduje koncentrację nośników ładunku po jednej stronie elementu Halla, tworząc różnicę napięć po przeciwnych stronach paska, znaną jako napięcie Halla. Wielkość tego napięcia jest proporcjonalna do siły pola magnetycznego.
4. Sygnał wyjściowy: Czujnik mierzy napięcie Halla i przekształca je w sygnał wyjściowy. W zależności od projektu, sygnał wyjściowy może być analogowy lub cyfrowy. Na przykład w zastosowaniach cyfrowych czujnik może włączać się lub wyłączać w zależności od tego, czy pole magnetyczne przekracza określony próg.
5. Rodzaje czujników efektu Halla: W zależności od konfiguracji czujniki efektu Halla można sklasyfikować jako:
   • Czujniki unipolarne: Aktywują się przy jednej polaryzacji pola magnetycznego.
   • Czujniki dwubiegunowe: Reagują na obie polaryzacje.
   • Czujniki omnipolarne: Mogą być aktywowane przez dodatnie lub ujemne pole magnetyczne.

VIII. Indukcyjne czujniki zbliżeniowe

Charakterystyka indukcyjnych czujników zbliżeniowych

Indukcyjne czujniki zbliżeniowe to wyspecjalizowane urządzenia zaprojektowane głównie do wykrywania metalowych obiektów bez fizycznego kontaktu. Oto ich najważniejsze cechy:

• Wykrywanie bezdotykowe: Mogą wykrywać metalowe obiekty bez konieczności ich dotykania, co minimalizuje zużycie zarówno czujnika, jak i wykrywanego obiektu.
• Wrażliwość na metale: Czujniki te są szczególnie czułe na materiały ferromagnetyczne (takie jak żelazo), ale mogą również wykrywać metale nieżelazne (takie jak aluminium i miedź) w zależności od projektu.
• Zasięg wykrywania: Zasięg wykrywania różni się w zależności od rozmiaru i rodzaju metalowego obiektu, zazwyczaj w zakresie od kilku milimetrów do kilku centymetrów.
• Wytrzymałość: Czujniki indukcyjne są trwałe i mogą pracować w trudnych warunkach, w tym w narażeniu na kurz, wilgoć i ekstremalne temperatury.
• Wysoka prędkość: Mogą szybko przełączać stany, dzięki czemu nadają się do szybkich zastosowań w automatyzacji i procesach produkcyjnych.
• Prosta instalacja: Indukcyjne czujniki zbliżeniowe są często łatwe w instalacji i integracji z istniejącymi systemami, z różnymi dostępnymi opcjami montażu.

Metoda operacyjna

Metoda działania indukcyjnych czujników zbliżeniowych opiera się na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Oto jak one działają:

1. Obwód oscylatora: Czujnik zawiera obwód oscylatora, który generuje zmienne pole elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości na powierzchni pomiarowej. To pole elektromagnetyczne rozciąga się na otaczający obszar.
2. Generowanie prądów wirowych: Gdy metalowy obiekt zbliża się do pola elektromagnetycznego, indukuje ono prądy wirowe w metalu. Prądy te płyną wewnątrz metalowego obiektu z powodu indukcji elektromagnetycznej.
3. Zmiana amplitudy: Obecność prądów wirowych powoduje straty energii w obwodzie oscylacyjnym, co prowadzi do zmniejszenia amplitudy oscylacji. Im bliżej znajduje się metalowy obiekt, tym większe są straty energii i tym bardziej znaczący jest spadek amplitudy oscylacji.
4. Wykrywanie sygnału: Czujnik zawiera obwód wykrywania amplitudy, który monitoruje zmiany stanu oscylacji. Gdy amplituda spada poniżej określonego progu z powodu obecności metalowego obiektu, zmiana ta jest wykrywana.
5. Generowanie sygnału wyjściowego: Następnie czujnik przekształca to wykrycie w sygnał wyjściowy (zazwyczaj sygnał binarny), wskazując, czy obiekt jest obecny, czy nie. Sygnał wyjściowy może być wykorzystany do wyzwalania innych urządzeń lub procesów w systemie automatyki.

IX. Porównanie różnych technologii czujników zbliżeniowych

A. Mocne strony i ograniczenia

Typ czujnika	Mocne strony	Ograniczenia
Indukcyjny	Wysoka niezawodność wykrywania metalowych obiektów Trwały i odporny na trudne warunki Szybki czas reakcji	Ograniczone do metalowych celów Wrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne
Pojemnościowy	Może wykrywać zarówno metalowe, jak i niemetalowe obiekty Działa przez niemetalowe bariery Regulowana czułość	Krótszy zasięg wykrywania w porównaniu do czujników indukcyjnych Wpływ czynników środowiskowych (wilgotność, temperatura)
Ultradźwiękowy	Bezdotykowe wykrywanie różnych materiałów Działa w trudnych warunkach Duży zasięg wykrywania	Ograniczona skuteczność w próżni Na wydajność może mieć wpływ tekstura obiektu i pochłanianie dźwięku
Fotoelektryczny	Wszechstronność dzięki różnym konfiguracjom (wiązka przelotowa, odblaskowa) Szybki czas reakcji Potrafi wykrywać przezroczyste obiekty	Złożoność instalacji dla niektórych typów Wydajność może się różnić w zależności od koloru obiektu i współczynnika odbicia
Laser	Wysoka precyzja i daleki zasięg wykrywania Nadaje się do małych lub odległych celów	Wyższy koszt i zużycie energii Kwestie bezpieczeństwa związane z narażeniem oczu Ograniczona wydajność z przezroczystymi materiałami

B. Odpowiednie zastosowania dla każdej technologii

Odpowiednie zastosowania dla każdej technologii

• Indukcyjne czujniki zbliżeniowe:
  • Powszechnie stosowane w automatyce przemysłowej do wykrywania metalowych części na przenośnikach taśmowych.
  • Idealny do wykrywania położenia w maszynach i urządzeniach.
• Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe:
  • Nadaje się do wykrywania materiałów niemetalicznych, takich jak ciecze, proszki i tworzywa sztuczne.
  • Często stosowane w pakowaniu, przetwórstwie żywności i pomiarach poziomu.
• Ultradźwiękowe czujniki zbliżeniowe:
  • Skuteczny w zastosowaniach wymagających pomiaru odległości, takich jak wykrywanie poziomu cieczy i wykrywanie obiektów w robotyce.
  • Używany w systemach motoryzacyjnych do wspomagania parkowania.
• Fotoelektryczne czujniki zbliżeniowe:
  • Szeroko stosowane w systemach pakowania, sortowania i transportu materiałów.
  • Nadaje się do wykrywania przezroczystych obiektów lub liczenia przedmiotów na przenośniku taśmowym.
• Laserowe czujniki zbliżeniowe:
  • Używany w aplikacjach wymagających wysokiej precyzji, takich jak pozycjonowanie robotów i zautomatyzowane systemy kontroli.
  • Powszechnie stosowane w logistyce do pomiaru odległości lub wymiarów paczek.

Wnioski: Różnorodność technologii czujników zbliżeniowych

Różnorodność technologii czujników zbliżeniowych odzwierciedla zróżnicowane wymagania nowoczesnych systemów automatyki i sterowania. Każdy typ czujnika posiada unikalne zalety, które sprawiają, że nadaje się on do określonych zastosowań, a jednocześnie posiada ograniczenia, które należy wziąć pod uwagę podczas wyboru. Czujniki indukcyjne wyróżniają się w wykrywaniu metali, podczas gdy czujniki pojemnościowe oferują wszechstronność w przypadku różnych materiałów. Czujniki ultradźwiękowe zapewniają solidne możliwości pomiaru odległości, podczas gdy czujniki fotoelektryczne są preferowane ze względu na ich szybkość i zdolność adaptacji. Czujniki laserowe wyróżniają się precyzją na dużych odległościach.

Źródło artykułu:

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

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