Aké ďalšie technológie sa používajú v senzoroch priblíženia?

I. Úvod do technológií senzorov priblíženia

Senzory priblíženia sú základné zariadenia, ktoré sa používajú na zisťovanie prítomnosti alebo neprítomnosti objektu v určitom rozsahu bez fyzického kontaktu. Fungujú tak, že vysielajú rôzne formy energie - napríklad elektromagnetické polia, zvukové vlny alebo svetlo - a merajú odozvu, keď sa objekt priblíži k snímaču. Rozmanitosť technológií senzorov priblíženia umožňuje ich použitie v mnohých oblastiach vrátane priemyselnej automatizácie, robotiky, automobilových systémov a spotrebnej elektroniky.

II. Kapacitné snímače priblíženia

Kľúčové vlastnosti kapacitných snímačov priblíženia

Kapacitné snímače priblíženia sú univerzálne zariadenia, ktoré zisťujú prítomnosť objektov bez fyzického kontaktu. Tu sú ich kľúčové vlastnosti:

• Rozsah detekcie: Obvykle kapacitné snímače dokážu detekovať objekty v rozsahu od niekoľkých milimetrov do približne 1 palca (25 mm), pričom niektoré modely dosahujú až 2 palce.
• Citlivosť materiálu: Tieto senzory dokážu detekovať kovové aj nekovové materiály vrátane kvapalín, plastov a skla vďaka svojej schopnosti snímať zmeny kapacity na základe dielektrickej konštanty cieľového materiálu.
• Bezkontaktná prevádzka: Snímače pracujú bez fyzického kontaktu, čo znižuje opotrebovanie a predlžuje ich životnosť.
• Nastaviteľná citlivosť: Mnohé kapacitné senzory obsahujú potenciometer na nastavenie citlivosti, ktorý umožňuje používateľom jemne doladiť parametre detekcie pre konkrétne aplikácie.
• Indikátory LED: Väčšina modelov je vybavená LED indikátormi, ktoré vizuálne potvrdzujú prevádzkový stav snímača.

Princíp fungovania

Kapacitné snímače priblíženia fungujú na princípe zmien kapacity spôsobených blízkymi objektmi. Fungujú takto:

1. Konštrukcia: Senzor sa skladá z dvoch kovových elektród, ktoré tvoria kondenzátor. Jedna elektróda je pripojená k obvodu oscilátora, zatiaľ čo druhá slúži ako referenčná doska.
2. Zmena kapacity: Keď sa objekt priblíži k senzoru, vstúpi do elektrického poľa vytvoreného medzi elektródami. Táto prítomnosť mení dielektrickú konštantu medzi doskami, čo následne mení kapacitu systému.
3. Detekcia oscilácií: Obvod oscilátora detekuje tieto zmeny kapacity. Keď sa objekt priblíži, kapacita sa zvýši, čo vedie k zmene frekvencie oscilácií obvodu. Tento posun frekvencie monitoruje zosilňovač a prevádza ho na binárny výstupný signál indikujúci prítomnosť objektu.
4. Výstupný signál: Keď kmitanie dosiahne určitú prahovú amplitúdu, spustí sa zmena výstupného stavu snímača. Naopak, keď sa objekt vzdiali, amplitúda sa zníži, čím sa výstup vráti do pôvodného stavu.
5. Environmentálne aspekty: Kapacitné snímače by sa mali používať v prostredí so stabilnou teplotou a vlhkosťou, pretože výkyvy môžu ovplyvniť ich citlivosť a presnosť.

III. Ultrazvukové snímače priblíženia

Výhody ultrazvukových snímačov priblíženia

Ultrazvukové snímače priblíženia majú niekoľko výhod, vďaka ktorým sú vhodné na rôzne aplikácie:

• Nezávislosť materiálu: Dokážu rozpoznať všetky typy materiálov vrátane lesklých, priehľadných a nepravidelne tvarovaných objektov bez toho, aby ich ovplyvňovala farba alebo povrchová štruktúra objektu.
• Dlhý dosah detekcie: Ultrazvukové senzory dokážu merať vzdialenosti väčšie ako 1 meter, takže sú ideálne pre aplikácie vyžadujúce detekciu na veľké vzdialenosti.
• Robustný výkon v nepriaznivých podmienkach: Tieto snímače nie sú ovplyvnené faktormi prostredia, ako je prach, dážď alebo sneh, ktoré môžu byť prekážkou pre iné typy snímačov. Ich prevádzka zostáva spoľahlivá aj v náročných podmienkach.
• Vysoká citlivosť a presnosť: Ultrazvukové senzory poskytujú presné merania a sú schopné detekovať malé objekty na veľkú vzdialenosť.
• Všestranné použitie: Sú široko používané v rôznych priemyselných odvetviach na úlohy, ako je meranie hladiny, detekcia objektov a automatizované riadenie procesov, čo dokazuje ich prispôsobivosť v rôznych scenároch.

Prevádzkový mechanizmus

Mechanizmus činnosti ultrazvukových snímačov priblíženia je založený na vysielaní a prijímaní vysokofrekvenčných zvukových vĺn. Fungujú takto:

1. Emisia zvukových vĺn: Senzor vysiela ultrazvukové zvukové vlny (zvyčajne nad 20 kHz) smerom k cieľovému objektu.
2. Reflexia: Tieto zvukové vlny sa šíria, kým nenarazia na objekt a neodrazia sa späť k snímaču.
3. Meranie času: Senzor meria čas, za ktorý sa vyslané zvukové vlny vrátia po dopade na objekt. Tento časový interval je rozhodujúci na určenie vzdialenosti k objektu.
4. Výpočet vzdialenosti: Pomocou vzorca Vzdialenosť = (rýchlosť zvuku × čas) / 2 snímač vypočíta vzdialenosť k objektu na základe rýchlosti zvuku vo vzduchu (približne 343 metrov za sekundu pri izbovej teplote) a nameraného času.
5. Generovanie výstupného signálu: Po vypočítaní vzdialenosti snímač generuje výstupný signál, ktorý indikuje, či sa objekt nachádza vo vopred stanovenom rozsahu, čo umožňuje rôzne aplikácie, ako je spustenie alarmu alebo ovládanie strojov.

IV. Magnetické snímače priblíženia

Typy magnetických snímačov priblíženia

Magnetické snímače priblíženia možno rozdeliť do niekoľkých typov na základe ich princípov fungovania a aplikácií:

• Reedový spínač: Ide o magneticky ovládaný spínač, ktorý sa skladá z dvoch feromagnetických jazýčkov uzavretých v sklenenej kapsule. Keď je prítomné magnetické pole, jazýčky sa spoja a vytvoria elektrický obvod.
• Senzor s Hallovým efektom: Využíva princíp Hallovho javu, pri ktorom sa na vodiči vytvára napätie, keď je vystavený magnetickému poľu. Tento snímač zisťuje prítomnosť magnetov a podľa toho poskytuje výstupný signál.
• Magnetostrikčný senzor: Meranie polohy magnetického objektu pomocou magnetostrikčného efektu, ktorý zahŕňa zmeny magnetického poľa ovplyvňujúce vlastnosti materiálu.
• Magnetorezistívny senzor: Funguje na základe magnetorezistívneho efektu, pri ktorom sa elektrický odpor feromagnetického materiálu mení v reakcii na vonkajšie magnetické pole.
• Indukčný magnetický snímač priblíženia: Podobné indukčnému senzoru, ale špeciálne navrhnuté na detekciu magnetických polí, a nie kovových predmetov. Využívajú oscilujúcu cievku na generovanie magnetického poľa a zisťujú zmeny, keď sa priblíži permanentný magnet.

Funkčnosť

Funkčnosť magnetických snímačov priblíženia sa zakladá na ich schopnosti detekovať magnetické polia a poskytovať príslušné výstupné signály. Takto fungujú:

1. Mechanizmus detekcie: Magnetické snímače priblíženia zisťujú prítomnosť magnetických objektov (ako sú permanentné magnety) na rôznych princípoch vrátane vyššie uvedených. Každý typ má svoju jedinečnú metódu snímania:
   • Jazýčkové spínače uzatvárajú kontakty, keď sú vystavené magnetickému poľu.
   • Snímače s Hallovým efektom generujú napäťový signál v reakcii na blízke magnety.
   • Magnetostrikčné a magnetorezistívne snímače merajú zmeny vlastností materiálu v dôsledku magnetických vplyvov.
2. Spracovanie signálov: Po zistení zmeny magnetického poľa snímač spracuje tieto informácie a vytvorí výstupný signál. Tento signál môže byť digitálny (zapnuté/vypnuté) alebo analógový v závislosti od aplikácie a typu snímača.
3. Aktivácia výstupu: Výstupný signál môže spúšťať rôzne akcie, ako je aktivácia alarmov, ovládanie motorov alebo poskytovanie spätnej väzby v automatizovaných systémoch. Snímače sa často používajú v aplikáciách, ako sú bezpečnostné systémy (pre dvere a okná), priemyselná automatizácia (detekcia polohy) a spotrebná elektronika.
4. Flexibilita inštalácie: Magnetické snímače priblíženia sa dajú inštalovať pod omietku alebo bez omietky v rôznych prostrediach vrátane prostredí s nemagnetickými materiálmi, ako je plast alebo drevo, čo umožňuje všestranné použitie v rôznych prostrediach.

V. Optické senzory priblíženia （Fotoelektrické senzory）

Princípy fungovania optických senzorov priblíženia

Optické snímače priblíženia fungujú na základe využitia svetla na detekciu prítomnosti alebo neprítomnosti objektov v ich detekčnom rozsahu. Základný princíp činnosti spočíva vo vysielaní svetla, zvyčajne v infračervenom alebo viditeľnom spektre, a meraní svetla, ktoré sa od objektu odrazí. Tu je rozpis ich fungovania:

1. Emisia svetla: Senzor vysiela lúč svetla smerom k cieľovému objektu. Toto svetlo môžu generovať rôzne zdroje vrátane LED diód alebo laserov.
2. Detekcia odrazu: Keď vyžarované svetlo narazí na objekt, časť svetla sa odrazí späť k snímaču. Množstvo a intenzita tohto odrazeného svetla závisí od vzdialenosti objektu a vlastností jeho povrchu.
3. Spracovanie signálov: Prijímač snímača detekuje odrazené svetlo. Ak množstvo odrazeného svetla prekročí určitú prahovú hodnotu, snímač určí, že je prítomný objekt, a vygeneruje výstupný signál (digitálny alebo analógový) indikujúci detekciu.
4. Meranie vzdialenosti: V niektorých pokročilých optických senzoroch sa môže merať čas potrebný na návrat svetla (v prípade laserových senzorov), aby sa vypočítala presná vzdialenosť k objektu.

Táto metóda umožňuje optickým snímačom priblíženia veľmi účinnú bezkontaktnú detekciu objektov, vďaka čomu sú vhodné na rôzne aplikácie v automatizácii, bezpečnosti a spotrebnej elektronike.

Rôzne typy optických snímačov priblíženia

Optické snímače priblíženia možno rozdeliť do niekoľkých typov na základe ich konštrukcie a princípov činnosti:

• Infračervené (IR) senzory: Tieto snímače vyžarujú infračervené svetlo a zisťujú zmeny v odrazenom infračervenom žiarení. Bežne sa používajú v aplikáciách, ako sú automatické dvere a bezpečnostné systémy.
• Laserové senzory: Tieto senzory využívajú laserové lúče a poskytujú vysokú presnosť a schopnosť detekcie na veľké vzdialenosti. Často sa používajú v priemyselných aplikáciách vyžadujúcich presné meranie vzdialenosti.
• Fotoelektrické senzory: Tieto snímače sa skladajú zo zdroja svetla (zvyčajne LED) a prijímača. Môžu pracovať v rôznych režimoch:
  • Priechodný lúč: Objekt prerušuje svetelný lúč.
  • Retroreflexné: Vysielač a prijímač sú na rovnakej strane, pričom reflektor odráža vyžarované svetlo späť do prijímača.
  • Difúzne reflexné: Snímač detekuje svetlo odrazené od objektu priamo pred ním.
• Senzory s časom letu (ToF): Tieto pokročilé senzory merajú čas, za ktorý svetelný impulz prejde k objektu a späť, čo umožňuje presné meranie vzdialenosti.

VI. Snímače priblíženia s Hallovým efektom

Hlavné výhody Hallových snímačov priblíženia

Hallove senzory priblíženia majú niekoľko výhod, vďaka ktorým sú veľmi efektívne pre rôzne aplikácie:

• Bezkontaktné snímanie: Tieto snímače zisťujú prítomnosť magnetických polí bez fyzického kontaktu, čím sa znižuje opotrebovanie v porovnaní s mechanickými spínačmi.
• Odolnosť: Hallove snímače sú polovodičové zariadenia, čo znamená, že sú menej náchylné na mechanické poruchy a môžu pracovať v náročných podmienkach vrátane vystavenia prachu, nečistotám a vlhkosti.
• Vysoká rýchlosť a citlivosť: Vďaka tomu sú vhodné pre vysokorýchlostné aplikácie, ako je napríklad riadenie motorov a snímanie polohy.
• Všestranné použitie: Hallove snímače možno použiť v širokej škále aplikácií vrátane automobilových systémov (napr. snímače rýchlosti kolies), spotrebnej elektroniky (napr. smartfóny) a priemyselnej automatizácie (napr. snímanie priblíženia).
• Nízka spotreba energie: Tieto snímače zvyčajne spotrebúvajú menej energie ako tradičné mechanické spínače, takže sú ideálne pre zariadenia napájané z batérie.

Operačná teória

Teória fungovania senzorov priblíženia s Hallovým efektom je založená na jave Hallovho efektu, ktorý zahŕňa interakciu medzi elektrickými prúdmi a magnetickými poľami. Fungujú takto:

1. Tok prúdu: Senzor s Hallovým javom pozostáva z tenkého prúžku vodivého materiálu (Hallovho prvku), ktorým preteká elektrický prúd. Tento prúd vytvára vlastné magnetické pole.
2. Interakcia magnetického poľa: Keď sa na nosiče náboja (elektróny alebo diery) vo vodivom materiáli pôsobí vonkajším magnetickým poľom kolmo na smer toku prúdu, pôsobí na ne sila (Lorentzova sila), ktorá spôsobí, že sa odchýlia od svojej priamočiarej dráhy.
3. Generovanie napätia: Výsledkom tejto výchylky je koncentrácia nosičov náboja na jednej strane Hallovho prvku, čím vzniká rozdiel napätí na protiľahlých stranách pásu, známy ako Hallovo napätie. Veľkosť tohto napätia je úmerná sile magnetického poľa.
4. Výstup signálu: Senzor meria toto Hallovo napätie a premieňa ho na výstupný signál. V závislosti od konštrukcie môže byť tento výstup analógový alebo digitálny. Napríklad v digitálnych aplikáciách sa snímač môže zapínať alebo vypínať na základe toho, či magnetické pole prekročí určitú prahovú hodnotu.
5. Typy Hallových snímačov: Senzory s Hallovým javom sa v závislosti od ich konfigurácie delia na:
   • Unipolárne senzory: Aktivujú sa jednou polaritou magnetického poľa.
   • Bipolárne senzory: Reagujú na obe polarity.
   • Omnipolárne senzory: Môžu byť aktivované kladným alebo záporným magnetickým poľom.

VIII. Indukčné snímače priblíženia

Charakteristika indukčných snímačov priblíženia

Indukčné snímače priblíženia sú špecializované zariadenia určené predovšetkým na detekciu kovových predmetov bez fyzického kontaktu. Tu sú ich kľúčové vlastnosti:

• Bezkontaktná detekcia: Senzory dokážu detekovať kovové predmety bez toho, aby sa ich museli dotknúť, čo minimalizuje opotrebovanie senzora aj detekovaného predmetu.
• Citlivosť na kov: Tieto snímače sú obzvlášť citlivé na feromagnetické materiály (ako železo), ale v závislosti od konštrukcie môžu detekovať aj neželezné kovy (ako hliník a meď).
• Rozsah detekcie: Rozsah detekcie sa líši v závislosti od veľkosti a typu kovového predmetu a zvyčajne sa pohybuje od niekoľkých milimetrov do niekoľkých centimetrov.
• Robustnosť: Indukčné snímače sú odolné a môžu pracovať v náročných podmienkach vrátane vystavenia prachu, vlhkosti a extrémnym teplotám.
• Vysoká rýchlosť: Dokážu rýchlo prepínať stavy, vďaka čomu sú vhodné pre vysokorýchlostné aplikácie v automatizácii a výrobných procesoch.
• Jednoduchá inštalácia: Indukčné snímače priblíženia sa často ľahko inštalujú a integrujú do existujúcich systémov, pričom sú k dispozícii rôzne možnosti montáže.

Prevádzková metóda

Metóda činnosti indukčných snímačov priblíženia je založená na princípe elektromagnetickej indukcie. Takto fungujú:

1. Obvod oscilátora: Senzor obsahuje oscilačný obvod, ktorý generuje vysokofrekvenčné striedavé elektromagnetické pole na snímacej ploche. Toto elektromagnetické pole sa rozširuje do okolia.
2. Generovanie vírivých prúdov: Keď sa kovový predmet priblíži k tomuto elektromagnetickému poľu, indukuje v ňom vírivé prúdy. Tieto prúdy tečú v kovovom objekte v dôsledku elektromagnetickej indukcie.
3. Zmena amplitúdy: Prítomnosť týchto vírivých prúdov spôsobuje stratu energie v oscilačnom obvode, čo vedie k zníženiu amplitúdy kmitania. Čím bližšie je kovový predmet, tým väčšia je strata energie a tým výraznejší je pokles amplitúdy kmitania.
4. Detekcia signálu: Senzor obsahuje obvod na detekciu amplitúdy, ktorý monitoruje zmeny stavu oscilácie. Keď amplitúda klesne pod určitú prahovú hodnotu v dôsledku prítomnosti kovového predmetu, táto zmena sa zaznamená.
5. Generovanie výstupného signálu: Senzor potom túto detekciu prevedie na výstupný signál (zvyčajne binárny signál), ktorý indikuje, či je objekt prítomný alebo nie. Tento výstup sa môže použiť na spustenie iných zariadení alebo procesov v automatizačnom systéme.

IX. Porovnanie rôznych technológií senzorov priblíženia

A. Silné stránky a obmedzenia

Typ snímača	Silné stránky	Obmedzenia
Indukčné	Vysoko spoľahlivá detekcia kovových predmetov Trvanlivé a odolné voči drsným podmienkam Rýchla reakcia	Obmedzené na kovové ciele Citlivosť na elektromagnetické rušenie
Kapacitný	Dokáže detekovať kovové aj nekovové predmety Pracuje cez nekovové bariéry Nastaviteľná citlivosť	Kratší rozsah snímania v porovnaní s indukčnými snímačmi Ovplyvnené faktormi prostredia (vlhkosť, teplota)
Ultrazvuk	Bezkontaktná detekcia rôznych materiálov Funguje v náročných podmienkach Dlhý dosah detekcie	Obmedzená účinnosť vo vákuu Výkon môže byť ovplyvnený štruktúrou objektu a absorpciou zvuku
Fotoelektrické	Všestrannosť s rôznymi konfiguráciami (priechodný lúč, retroreflexný lúč) Rýchla reakcia Dokáže detekovať priehľadné objekty	Zložitosť inštalácie niektorých typov Výkon sa môže líšiť v závislosti od farby a odrazivosti objektu
Laser	Vysoká presnosť a detekcia na veľkú vzdialenosť Vhodné pre malé alebo vzdialené ciele	Vyššie náklady a spotreba energie Bezpečnostné obavy pri vystavení očí Obmedzený výkon pri transparentných materiáloch

B. Vhodné aplikácie pre každú technológiu

Vhodné aplikácie pre každú technológiu

• Indukčné snímače priblíženia:
  • Bežne sa používa v priemyselnej automatizácii na detekciu kovových častí na dopravných pásoch.
  • Ideálne na snímanie polohy v strojoch a zariadeniach.
• Kapacitné snímače priblíženia:
  • Vhodné na detekciu nekovových materiálov, ako sú kvapaliny, prášky a plasty.
  • Často sa používa pri balení, spracovaní potravín a meraní hladiny.
• Ultrazvukové snímače priblíženia:
  • Efektívne v aplikáciách vyžadujúcich meranie vzdialenosti, ako je napríklad snímanie hladiny kvapalín a detekcia objektov v robotike.
  • Používa sa v automobilových systémoch na pomoc pri parkovaní.
• Fotoelektrické snímače priblíženia:
  • Široké využitie v baliacich a triediacich systémoch a pri manipulácii s materiálom.
  • Vhodné na detekciu priehľadných predmetov alebo počítanie položiek na dopravníkovom páse.
• Laserové snímače priblíženia:
  • Používa sa v aplikáciách vyžadujúcich vysokú presnosť, ako sú robotické polohovacie a automatické kontrolné systémy.
  • Bežne sa používa v logistike na meranie vzdialeností alebo rozmerov balíkov.

Záver: Rozmanitosť technológií na snímanie blízkosti

Rôznorodosť technológií snímania blízkosti odráža rozmanité požiadavky moderných automatizačných a riadiacich systémov. Každý typ snímača má jedinečné silné stránky, vďaka ktorým je vhodný pre špecifické aplikácie, a zároveň predstavuje obmedzenia, ktoré je potrebné zohľadniť pri výbere. Indukčné snímače vynikajú pri detekcii kovov, zatiaľ čo kapacitné snímače ponúkajú všestrannosť pri rôznych materiáloch. Ultrazvukové snímače poskytujú robustné možnosti merania vzdialenosti, zatiaľ čo fotoelektrické snímače sú obľúbené pre svoju rýchlosť a prispôsobivosť. Laserové snímače vynikajú svojou presnosťou na veľké vzdialenosti.

Zdroj článku:

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

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