Care sunt alte tehnologii utilizate în senzorii de proximitate?

I. Introducere în tehnologiile senzorilor de proximitate

Senzori de proximitate sunt dispozitive esențiale utilizate pentru a detecta prezența sau absența unui obiect într-un interval specificat, fără contact fizic. Acestea funcționează prin emiterea diferitelor forme de energie - cum ar fi câmpurile electromagnetice, undele sonore sau lumina - și măsurarea răspunsului atunci când un obiect se apropie de senzor. Diversitatea tehnologiilor senzorilor de proximitate permite aplicarea lor în numeroase domenii, inclusiv automatizarea industrială, robotica, sistemele auto și electronica de consum.

II. Senzori de proximitate capacitivi

Principalele caracteristici ale senzorilor de proximitate capacitivi

Senzorii de proximitate capacitivi sunt dispozitive versatile care detectează prezența obiectelor fără contact fizic. Iată care sunt principalele lor caracteristici:

• Raza de detecție: De obicei, senzorii capacitivi pot detecta obiecte pe o rază de câțiva milimetri până la aproximativ 1 inch (25 mm), unele modele ajungând până la 2 inch.
• Sensibilitate la materiale: Acești senzori pot detecta atât materiale metalice, cât și nemetalice, inclusiv lichide, materiale plastice și sticlă, datorită capacității lor de a detecta modificări ale capacității bazate pe constanta dielectrică a materialului țintă.
• Funcționare fără contact: Acestea funcționează fără contact fizic, ceea ce reduce uzura și prelungește durata de viață a senzorului.
• Sensibilitate reglabilă: Mulți senzori capacitivi includ un potențiometru pentru reglarea sensibilității, permițând utilizatorilor să ajusteze parametrii de detecție pentru aplicații specifice.
• Indicatori LED: Majoritatea modelelor sunt echipate cu indicatori LED pentru a confirma vizual starea de funcționare a senzorului.

Principiul de funcționare

Senzorii de proximitate capacitivi funcționează pe baza principiului schimbărilor de capacitate cauzate de obiectele aflate în apropiere. Iată cum funcționează aceștia:

1. Construcție: Senzorul constă din doi electrozi metalici care formează un condensator. Un electrod este conectat la un circuit oscilator, în timp ce celălalt acționează ca o placă de referință.
2. Modificarea capacității: Atunci când un obiect se apropie de senzor, acesta intră în câmpul electric creat între electrozi. Această prezență modifică constanta dielectrică dintre plăci, care, la rândul său, modifică capacitatea sistemului.
3. Detectarea oscilației: Circuitul oscilator detectează aceste modificări ale capacității. Pe măsură ce un obiect se apropie, capacitatea crește, ducând la o schimbare a frecvenței de oscilație a circuitului. Această schimbare de frecvență este monitorizată de un amplificator și convertită într-un semnal binar de ieșire care indică prezența obiectului.
4. Semnal de ieșire: Atunci când oscilația atinge un anumit prag de amplitudine, aceasta declanșează o modificare a stării de ieșire a senzorului. Invers, atunci când obiectul se îndepărtează, amplitudinea scade, readucând ieșirea la starea sa inițială.
5. Considerații privind mediul: Pentru performanțe optime, senzorii capacitivi trebuie utilizați în medii cu niveluri stabile de temperatură și umiditate, deoarece fluctuațiile pot afecta sensibilitatea și precizia acestora.

III. Senzori de proximitate cu ultrasunete

Avantajele senzorilor de proximitate cu ultrasunete

Senzorii de proximitate cu ultrasunete oferă mai multe avantaje care îi fac potriviți pentru diverse aplicații:

• Independența față de materiale: Ele pot detecta toate tipurile de materiale, inclusiv obiecte lucioase, transparente și de formă neregulată, fără a fi afectate de culoarea sau textura suprafeței obiectului.
• Raza de detecție lungă: Senzorii cu ultrasunete pot măsura distanțe mai mari de 1 metru, ceea ce îi face ideali pentru aplicațiile care necesită detectare la distanță mare.
• Performanță robustă în condiții nefavorabile: Acești senzori nu sunt influențați de factori de mediu precum praful, ploaia sau zăpada, care pot afecta alte tipuri de senzori. Funcționarea lor rămâne fiabilă chiar și în condiții dificile.
• Sensibilitate și acuratețe ridicate: Senzorii cu ultrasunete oferă măsurători precise și sunt capabili să detecteze obiecte mici pe distanțe considerabile.
• Aplicații versatile: Acestea sunt utilizate pe scară largă în diverse industrii pentru sarcini precum măsurarea nivelului, detectarea obiectelor și controlul automatizat al proceselor, dovedind adaptabilitatea lor în diferite scenarii.

Mecanism de funcționare

Mecanismul de funcționare al senzorilor de proximitate cu ultrasunete se bazează pe emisia și recepția de unde sonore de înaltă frecvență. Iată cum funcționează:

1. Emisie de unde sonore: Senzorul emite unde sonore ultrasonice (de obicei peste 20 kHz) către obiectul țintă.
2. Reflecție: Aceste unde sonore se deplasează până când lovesc un obiect și sunt reflectate înapoi către senzor.
3. Măsurarea timpului: Senzorul măsoară timpul necesar pentru ca undele sonore emise să se întoarcă după lovirea obiectului. Acest interval de timp este esențial pentru determinarea distanței până la obiect.
4. Calcularea distanței: Folosind formula Distanță = (viteza sunetului × timp) / 2, senzorul calculează distanța până la obiect pe baza vitezei sunetului în aer (aproximativ 343 de metri pe secundă la temperatura camerei) și a timpului măsurat.
5. Generarea semnalului de ieșire: Odată ce distanța este calculată, senzorul generează un semnal de ieșire care indică dacă un obiect se află într-un interval predeterminat, permițând diverse aplicații, cum ar fi declanșarea alarmelor sau controlul utilajelor.

IV. Senzori magnetici de proximitate

Tipuri de senzori magnetici de proximitate

Senzorii magnetici de proximitate pot fi clasificați în mai multe tipuri în funcție de principiile lor de funcționare și de aplicații:

• Comutator Reed: Acesta este un comutator acționat magnetic care constă din două stufuri feromagnetice sigilate într-o capsulă de sticlă. Atunci când este prezent un câmp magnetic, trestiile se unesc pentru a completa un circuit electric.
• Senzor cu efect Hall: Utilizează principiul efectului Hall, prin care se generează o tensiune la nivelul unui conductor atunci când acesta este expus unui câmp magnetic. Acest senzor detectează prezența magneților și furnizează un semnal de ieșire corespunzător.
• Senzor magnetostrictiv: Măsoară poziția unui obiect magnetic folosind efectul magnetostrictiv, care implică modificări ale câmpului magnetic care afectează proprietățile unui material.
• Senzor magneto-rezistiv: Funcționează pe baza efectului magnetorezistiv, în care rezistența electrică a unui material feromagnetic se modifică ca răspuns la un câmp magnetic extern.
• Senzor de proximitate magnetic inductiv: Similare cu senzorii inductivi, dar concepute special pentru a detecta câmpuri magnetice și nu obiecte metalice. Aceștia utilizează o bobină oscilantă pentru a genera un câmp magnetic și detectează schimbările atunci când se apropie un magnet permanent.

Funcționalitate

Funcționalitatea senzorilor magnetici de proximitate se învârte în jurul capacității lor de a detecta câmpurile magnetice și de a furniza semnale de ieșire corespunzătoare. Iată cum funcționează aceștia:

1. Mecanism de detecție: Senzorii magnetici de proximitate detectează prezența obiectelor magnetice (precum magneții permanenți) prin diverse principii, inclusiv cele menționate mai sus. Fiecare tip are metoda sa unică de detectare:
   • Întrerupătoarele Reed închid contactele atunci când sunt expuse la un câmp magnetic.
   • Senzorii cu efect Hall generează un semnal de tensiune ca răspuns la magneții din apropiere.
   • Senzorii magnetostrictivi și magneto-rezistivi măsoară modificările proprietăților materialelor datorate influențelor magnetice.
2. Prelucrarea semnalului: Odată ce este detectată o modificare a câmpului magnetic, senzorul procesează această informație pentru a genera un semnal de ieșire. Acest semnal poate fi digital (on/off) sau analogic, în funcție de aplicație și de tipul senzorului.
3. Activarea ieșirii: Semnalul de ieșire poate declanșa diverse acțiuni, cum ar fi activarea alarmelor, controlul motoarelor sau furnizarea de feedback în sistemele automatizate. Senzorii sunt adesea utilizați în aplicații precum sistemele de securitate (pentru uși și ferestre), automatizarea industrială (detectarea poziției) și electronicele de consum.
4. Flexibilitate de instalare: Senzorii magnetici de proximitate pot fi instalați încadrați sau nu încadrați în diferite medii, inclusiv în cele cu materiale nemagnetice precum plasticul sau lemnul, permițând o aplicare versatilă în diferite medii.

V. Senzori optici de proximitate （Senzori fotoelectrici）

Principiile de funcționare ale senzorilor optici de proximitate

Senzorii optici de proximitate funcționează prin utilizarea luminii pentru a detecta prezența sau absența obiectelor din raza lor de detecție. Principiul fundamental de funcționare implică emiterea de lumină, de obicei în spectrul infraroșu sau vizibil, și măsurarea luminii care este reflectată de un obiect. Iată o defalcare a modului în care funcționează:

1. Emisie de lumină: Senzorul emite o rază de lumină către obiectul țintă. Această lumină poate fi generată de diverse surse, inclusiv LED-uri sau lasere.
2. Detectarea reflexiei: Atunci când lumina emisă întâlnește un obiect, o parte din ea este reflectată înapoi către senzor. Cantitatea și intensitatea acestei lumini reflectate depind de distanța și de caracteristicile suprafeței obiectului.
3. Prelucrarea semnalului: Receptorul senzorului detectează lumina reflectată. Dacă cantitatea de lumină reflectată depășește un anumit prag, senzorul determină prezența unui obiect și generează un semnal de ieșire (digital sau analogic) care indică detectarea.
4. Măsurarea distanței: În cazul unor senzori optici avansați, timpul de întoarcere a luminii (în cazul senzorilor laser) poate fi măsurat pentru a calcula distanța exactă până la obiect.

Această metodă permite senzorilor optici de proximitate să fie foarte eficienți în detectarea obiectelor fără contact, ceea ce îi face potriviți pentru diverse aplicații în automatizare, securitate și electronice de consum.

Diferite tipuri de senzori optici de proximitate

Senzorii optici de proximitate pot fi clasificați în mai multe tipuri pe baza principiilor lor de proiectare și funcționare:

• Senzori în infraroșu (IR): Acești senzori emit lumină infraroșie și detectează schimbările în radiația IR reflectată. Aceștia sunt frecvent utilizați în aplicații precum uși automate și sisteme de siguranță.
• Senzori laser: Utilizând raze laser, acești senzori oferă o precizie ridicată și capacități de detecție la distanță mare. Ei sunt adesea utilizați în aplicații industriale care necesită măsurători precise ale distanței.
• Senzori fotoelectrici: Acestea constau dintr-o sursă de lumină (de obicei un LED) și un receptor. Ele pot funcționa în diferite moduri:
  • Fascicul transversal: Emițătorul și receptorul sunt poziționate față în față; un obiect întrerupe fasciculul de lumină.
  • Retro-reflectiv: Emisorul și receptorul se află pe aceeași parte, cu un reflector care reflectă lumina emisă înapoi la receptor.
  • Reflexie difuză: Emisorul și receptorul sunt amplasate împreună; senzorul detectează lumina reflectată de un obiect aflat direct în față.
• Senzori de timp de zbor (ToF): Acești senzori avansați măsoară timpul necesar pentru ca un impuls luminos să ajungă la un obiect și să se întoarcă, permițând măsurarea precisă a distanței.

VI. Senzori de proximitate cu efect Hall

Principalele avantaje ale senzorilor de proximitate cu efect Hall

Senzorii de proximitate cu efect Hall oferă mai multe avantaje care îi fac foarte eficienți pentru diverse aplicații:

• Detecție fără contact: Acești senzori detectează prezența câmpurilor magnetice fără contact fizic, reducând uzura în comparație cu comutatoarele mecanice.
• Durabilitate: senzorii cu efect Hall sunt dispozitive cu stare solidă, ceea ce înseamnă că sunt mai puțin predispuși la defecțiuni mecanice și pot funcționa în medii dificile, inclusiv expunerea la praf, murdărie și umiditate.
• Viteză și sensibilitate ridicate: Ele pot răspunde rapid la modificările câmpurilor magnetice, ceea ce le face potrivite pentru aplicații de mare viteză, cum ar fi controlul motoarelor și detectarea poziției.
• Aplicații versatile: Senzorii cu efect Hall pot fi utilizați într-o gamă largă de aplicații, inclusiv sisteme auto (de exemplu, senzori de viteză a roților), electronice de consum (de exemplu, smartphone-uri) și automatizare industrială (de exemplu, detectarea proximității).
• Consum redus de energie: Acești senzori consumă de obicei mai puțină energie decât comutatoarele mecanice tradiționale, ceea ce îi face ideali pentru dispozitivele care funcționează cu baterii.

Teoria operațională

Teoria de funcționare a senzorilor de proximitate cu efect Hall se bazează pe fenomenul efectului Hall, care implică interacțiunea dintre curenții electrici și câmpurile magnetice. Iată cum funcționează:

1. Flux de curent: Un senzor cu efect Hall constă dintr-o bandă subțire de material conductor (elementul Hall) prin care trece un curent electric. Acest curent generează propriul său câmp magnetic.
2. Interacțiunea câmpului magnetic: Atunci când un câmp magnetic extern este aplicat perpendicular pe direcția de curgere a curentului, purtătorii de sarcină (electroni sau găuri) din materialul conductor sunt supuși unei forțe (forța Lorentz) care îi face să devieze de la traiectoria lor rectilinie.
3. Generarea tensiunii: Această deviere duce la o concentrare a purtătorilor de sarcină pe o parte a elementului Hall, creând o diferență de tensiune între părțile opuse ale benzii, cunoscută sub numele de tensiune Hall. Magnitudinea acestei tensiuni este proporțională cu intensitatea câmpului magnetic.
4. Semnal de ieșire: Senzorul măsoară această tensiune Hall și o convertește într-un semnal de ieșire. În funcție de proiect, această ieșire poate fi analogică sau digitală. De exemplu, în aplicațiile digitale, senzorul poate porni sau opri în funcție de depășirea unui anumit prag de către câmpul magnetic.
5. Tipuri de senzori cu efect Hall: În funcție de configurația lor, senzorii cu efect Hall pot fi clasificați în:
   • Senzori unipolari: Se activează cu o singură polaritate a câmpului magnetic.
   • Senzori bipolari: Răspund la ambele polarități.
   • Senzori omnipolari: Pot fi activate de un câmp magnetic pozitiv sau negativ.

VIII. Senzori de proximitate inductivi

Caracteristici ale senzorilor de proximitate inductivi

Senzorii de proximitate inductivi sunt dispozitive specializate concepute în principal pentru detectarea obiectelor metalice fără contact fizic. Iată care sunt principalele lor caracteristici:

• Detecție fără contact: Acestea pot detecta obiecte metalice fără a fi nevoie să le atingă, ceea ce reduce la minimum uzura atât a senzorului, cât și a obiectului detectat.
• Sensibilitate la metale: Acești senzori sunt deosebit de sensibili la materialele feromagnetice (cum ar fi fierul), dar pot detecta și metale neferoase (cum ar fi aluminiul și cuprul), în funcție de design.
• Raza de detecție: Intervalul de detecție variază în funcție de dimensiunea și tipul obiectului metalic, de obicei de la câțiva milimetri la câțiva centimetri.
• Robustețe: Senzorii inductivi sunt rezistenți și pot funcționa în medii dificile, inclusiv expunerea la praf, umiditate și temperaturi extreme.
• Viteză mare: Ele pot comuta rapid între stări, ceea ce le face potrivite pentru aplicații de mare viteză în procesele de automatizare și fabricație.
• Instalare simplă: Senzorii de proximitate inductivi sunt adesea ușor de instalat și de integrat în sistemele existente, cu diverse opțiuni de montare disponibile.

Metoda operațională

Metoda de funcționare a senzorilor de proximitate inductivi se bazează pe principiul inducției electromagnetice. Iată cum funcționează aceștia:

1. Circuit oscilator: Senzorul conține un circuit oscilator care generează un câmp electromagnetic alternativ de înaltă frecvență la fața sa de detectare. Acest câmp electromagnetic se extinde în zona înconjurătoare.
2. Generarea de curenți turbionari: Atunci când un obiect metalic se apropie de acest câmp electromagnetic, acesta induce curenți turbionari în metal. Acești curenți circulă în interiorul obiectului metalic datorită inducției electromagnetice.
3. Modificarea amplitudinii: Prezența acestor curenți turbionari provoacă pierderi de energie în circuitul oscilant, ceea ce duce la o reducere a amplitudinii oscilației. Cu cât obiectul metalic se apropie mai mult, cu atât mai mare este pierderea de energie și cu atât mai semnificativă este scăderea amplitudinii oscilației.
4. Detectarea semnalului: Senzorul include un circuit de detectare a amplitudinii care monitorizează schimbările în starea de oscilație. Atunci când amplitudinea scade sub un anumit prag din cauza prezenței unui obiect metalic, această schimbare este detectată.
5. Generarea semnalului de ieșire: Senzorul convertește apoi această detecție într-un semnal de ieșire (de obicei un semnal binar), indicând dacă un obiect este prezent sau nu. Această ieșire poate fi utilizată pentru a declanșa alte dispozitive sau procese într-un sistem de automatizare.

IX. Compararea diferitelor tehnologii de senzori de proximitate

A. Puncte forte și limitări

Tip senzor	Puncte forte	Limitări
Inductiv	Extrem de fiabil pentru detectarea obiectelor metalice Durabil și rezistent la condiții dificile Timp de răspuns rapid	Limitat la ținte metalice Sensibil la interferențe electromagnetice
Capacitiv	Poate detecta atât obiecte metalice, cât și nemetalice Funcționează prin bariere nemetalice Sensibilitate reglabilă	Domeniu de detecție mai scurt în comparație cu senzorii inductivi Afectată de factorii de mediu (umiditate, temperatură)
Ultrasunete	Detectarea fără contact a diferitelor materiale Funcționează în medii dificile Raza de detecție lungă	Eficacitate limitată în vid Performanța poate fi afectată de textura obiectului și de absorbția sunetului
Fotoelectric	Versatil cu diferite configurații (prin fascicul, retroreflectorizant) Timp de răspuns rapid Poate detecta obiecte transparente	Complexitatea instalării pentru anumite tipuri Performanța poate varia în funcție de culoarea și reflectivitatea obiectului
Laser	Precizie ridicată și detecție la distanță mare Potrivit pentru ținte mici sau îndepărtate	Cost și consum de energie mai mari Preocupări de siguranță legate de expunerea ochilor Performanță limitată cu materiale transparente

B. Aplicații adecvate pentru fiecare tehnologie

Aplicații adecvate pentru fiecare tehnologie

• Senzori de proximitate inductivi:
  • Utilizat frecvent în automatizarea industrială pentru detectarea pieselor metalice pe benzile transportoare.
  • Ideal pentru detectarea poziției în mașini și echipamente.
• Senzori de proximitate capacitivi:
  • Potrivit pentru detectarea materialelor nemetalice precum lichidele, pulberile și materialele plastice.
  • Adesea utilizate în aplicații de ambalare, procesare a alimentelor și măsurare a nivelului.
• Senzori de proximitate cu ultrasunete:
  • Eficient în aplicații care necesită măsurarea distanței, cum ar fi detectarea nivelului lichidelor și detectarea obiectelor în robotică.
  • Utilizat în sistemele auto pentru asistență la parcare.
• Senzori fotoelectrici de proximitate:
  • Utilizate pe scară largă în ambalaje, sisteme de sortare și manipularea materialelor.
  • Potrivit pentru detectarea obiectelor transparente sau numărarea articolelor pe o bandă transportoare.
• Senzori de proximitate cu laser:
  • Utilizate în aplicații care necesită o precizie ridicată, cum ar fi poziționarea robotizată și sistemele de inspecție automată.
  • Utilizate frecvent în logistică pentru măsurarea distanțelor sau a dimensiunilor pachetelor.

Concluzie: Diversitatea tehnologiilor de detectare a proximității

Diversitatea tehnologiilor de detectare a proximității reflectă cerințele variate ale sistemelor moderne de automatizare și control. Fiecare tip de senzor posedă puncte forte unice care îl fac potrivit pentru aplicații specifice, prezentând în același timp limitări care trebuie luate în considerare în timpul selecției. Senzorii inductivi excelează în detectarea metalelor, în timp ce senzorii capacitivi oferă versatilitate cu diferite materiale. Senzorii cu ultrasunete oferă capacități robuste de măsurare a distanței, în timp ce senzorii fotoelectrici sunt favorizați pentru viteza și adaptabilitatea lor. Senzorii laser se remarcă prin precizia lor pe distanțe mari.

Sursa articolului:

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

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