Katere druge tehnologije se uporabljajo v senzorjih bližine?

I. Uvod v tehnologije senzorjev bližine

Senzorji bližine so bistvene naprave, ki se uporabljajo za zaznavanje prisotnosti ali odsotnosti predmeta v določenem območju brez fizičnega stika. Delujejo tako, da oddajajo različne oblike energije, kot so elektromagnetna polja, zvočni valovi ali svetloba, in merijo odziv, ko se predmet približa senzorju. Raznolikost tehnologij senzorjev bližine omogoča njihovo uporabo na številnih področjih, vključno z industrijsko avtomatizacijo, robotiko, avtomobilskimi sistemi in zabavno elektroniko.

II. Kapacitivni senzorji bližine

Ključne lastnosti kapacitivnih senzorjev bližine

Kapacitivni senzorji bližine so vsestranske naprave, ki zaznajo prisotnost predmetov brez fizičnega stika. Tukaj so njihove ključne lastnosti:

• Območje zaznavanja: Običajno lahko kapacitivni senzorji zaznajo predmete v območju od nekaj milimetrov do približno 1 palca (25 mm), nekateri modeli pa tudi do 2 palca.
• Občutljivost materiala: Ti senzorji lahko zaznajo kovinske in nekovinske materiale, vključno s tekočinami, plastiko in steklom, saj so sposobni zaznati spremembe v kapacitivnosti na podlagi dielektrične konstante ciljnega materiala.
• Brezkontaktno delovanje: Senzorji delujejo brez fizičnega stika, kar zmanjšuje obrabo in podaljšuje življenjsko dobo senzorja.
• Nastavljiva občutljivost: Številni kapacitivni senzorji imajo potenciometer za nastavitev občutljivosti, ki uporabnikom omogoča natančno nastavitev parametrov zaznavanja za določene aplikacije.
• Indikatorji LED: Večina modelov je opremljena z indikatorji LED, ki vizualno potrjujejo stanje delovanja senzorja.

Načelo delovanja

Kapacitivni senzorji bližine delujejo po načelu sprememb kapacitivnosti, ki jih povzročajo bližnji predmeti. Delujejo na naslednji način:

1. Gradnja: Senzor je sestavljen iz dveh kovinskih elektrod, ki tvorita kondenzator. Ena elektroda je povezana z vezjem oscilatorja, druga pa deluje kot referenčna plošča.
2. Sprememba kapacitivnosti: Ko se predmet približa senzorju, vstopi v električno polje, ki se ustvari med elektrodama. Ta prisotnost spremeni dielektrično konstanto med ploščama, kar spremeni kapacitivnost sistema.
3. Zaznavanje nihanja: Vezje oscilatorja zazna te spremembe kapacitivnosti. Ko se predmet približa, se kapacitivnost poveča, kar povzroči spremembo frekvence nihanja vezja. To spremembo frekvence spremlja ojačevalnik in jo pretvori v binarni izhodni signal, ki označuje prisotnost predmeta.
4. Izhodni signal: Ko nihanje doseže določeno mejno amplitudo, se spremeni izhodno stanje senzorja. Ko se predmet oddalji, se amplituda zmanjša in izhodni signal se vrne v prvotno stanje.
5. Okoljski vidiki: Za optimalno delovanje je treba kapacitivne senzorje uporabljati v okoljih s stabilno temperaturo in vlažnostjo, saj lahko nihanja vplivajo na njihovo občutljivost in natančnost.

III. Ultrazvočni senzorji bližine

Prednosti ultrazvočnih senzorjev bližine

Ultrazvočni senzorji bližine imajo več prednosti, zaradi katerih so primerni za različne aplikacije:

• Neodvisnost materiala: Ne glede na barvo ali teksturo površine predmeta lahko zaznajo vse vrste materialov, vključno s svetlečimi, prozornimi in nepravilno oblikovanimi predmeti, ne da bi na to vplivala barva ali tekstura površine predmeta.
• Velik doseg zaznavanja: Ultrazvočni senzorji lahko merijo razdalje, večje od 1 metra, zato so idealni za aplikacije, ki zahtevajo zaznavanje na velike razdalje.
• Zanesljivo delovanje v neugodnih razmerah: Na te senzorje ne vplivajo okoljski dejavniki, kot so prah, dež ali sneg, ki lahko ovirajo druge vrste senzorjev. Njihovo delovanje je zanesljivo tudi v zahtevnih razmerah.
• Visoka občutljivost in natančnost: Ultrazvočni senzorji zagotavljajo natančne meritve in so sposobni zaznati majhne predmete na velikih razdaljah.
• Vsestranska uporaba: Dokazujejo svojo prilagodljivost v različnih scenarijih: široko se uporabljajo v različnih industrijah za naloge, kot so merjenje nivoja, zaznavanje predmetov in avtomatiziran nadzor procesov.

Mehanizem delovanja

Mehanizem delovanja ultrazvočnih senzorjev bližine temelji na oddajanju in sprejemanju visokofrekvenčnih zvočnih valov. Tukaj je opisano njihovo delovanje:

1. Emisija zvočnih valov: Senzor oddaja ultrazvočne zvočne valove (običajno nad 20 kHz) proti ciljnemu predmetu.
2. Razmislek: Zvokovni valovi potujejo, dokler ne zadenejo predmeta in se odbijejo nazaj proti senzorju.
3. Merjenje časa: Senzor meri čas, v katerem se oddani zvočni valovi po trku v predmet vrnejo. Ta časovni interval je ključen za določitev razdalje do predmeta.
4. Izračun razdalje: Senzor izračuna razdaljo do predmeta na podlagi hitrosti zvoka v zraku (približno 343 metrov na sekundo pri sobni temperaturi) in izmerjenega časa.
5. Generiranje izhodnega signala: Po izračunu razdalje senzor generira izhodni signal, ki kaže, ali je predmet znotraj vnaprej določenega območja, kar omogoča različne aplikacije, kot so sprožanje alarmov ali krmiljenje strojev.

IV. Senzorji magnetne bližine

Vrste senzorjev magnetne bližine

Magnetne senzorje bližine lahko glede na njihovo delovanje in uporabo razdelimo na več vrst:

• Reed stikalo: To je stikalo z magnetnim pogonom, ki ga sestavljata dva feromagnetna tulca, zaprta v stekleni kapsuli. Ko je prisotno magnetno polje, se jezička združita in skleneta električni krog.
• Senzor s Hallovim učinkom: Pri tem se na vodniku, ki je izpostavljen magnetnemu polju, ustvari napetost. Senzor zazna prisotnost magnetov in v skladu s tem pošlje izhodni signal.
• Magnetostrikcijski senzor: Pri merjenju položaja magnetnega predmeta se uporablja magnetostrikcijski učinek, pri katerem spremembe magnetnega polja vplivajo na lastnosti materiala.
• Magneto-resistivni senzor: Pri tem se električna upornost feromagnetnega materiala spremeni kot odziv na zunanje magnetno polje.
• Induktivni magnetni senzor bližine: Podobno kot induktivni senzorji, vendar je posebej zasnovan za zaznavanje magnetnih polj in ne kovinskih predmetov. Za ustvarjanje magnetnega polja uporabljajo nihajočo tuljavo in zaznajo spremembe, ko se jim približa trajni magnet.

Funkcionalnost

Funkcionalnost senzorjev magnetne bližine temelji na njihovi sposobnosti zaznavanja magnetnih polj in zagotavljanja ustreznih izhodnih signalov. Tukaj je opisano njihovo delovanje:

1. Mehanizem odkrivanja: Senzorji magnetne bližine zaznavajo prisotnost magnetnih predmetov (kot so trajni magneti) po različnih načelih, vključno z zgoraj omenjenimi. Vsaka vrsta ima svojo edinstveno metodo zaznavanja:
   • Reed stikala zaprejo kontakte, ko so izpostavljeni magnetnemu polju.
   • Senzorji s Hallovim učinkom ustvarjajo napetostni signal kot odziv na bližnje magnete.
   • Magnetostrikcijski in magnetorezistivni senzorji merijo spremembe lastnosti materiala zaradi magnetnih vplivov.
2. Obdelava signalov: Senzor po zaznavi spremembe v magnetnem polju te informacije obdela in ustvari izhodni signal. Ta signal je lahko digitalen (vklop/izklop) ali analogen, odvisno od uporabe in vrste senzorja.
3. Aktivacija izhoda: Izhodni signal lahko sproži različna dejanja, kot so aktiviranje alarmov, krmiljenje motorjev ali zagotavljanje povratnih informacij v avtomatiziranih sistemih. Senzorji se pogosto uporabljajo v aplikacijah, kot so varnostni sistemi (za vrata in okna), industrijska avtomatizacija (zaznavanje položaja) in potrošniška elektronika.
4. Prilagodljivost namestitve: Magnetne senzorje bližine je mogoče namestiti v različna okolja, tudi v tista z nemagnetnimi materiali, kot sta plastika ali les, kar omogoča vsestransko uporabo v različnih okoljih.

V. Optični senzorji bližine （Fotoelektrični senzorji）

Načela delovanja optičnih senzorjev bližine

Optični senzorji bližine delujejo tako, da s pomočjo svetlobe zaznajo prisotnost ali odsotnost predmetov v območju zaznavanja. Osnovno načelo delovanja vključuje oddajanje svetlobe, običajno v infrardečem ali vidnem spektru, in merjenje svetlobe, ki se od predmeta odbije nazaj. Tukaj je razčlenjeno njihovo delovanje:

1. Emisija svetlobe: Senzor oddaja svetlobni snop proti ciljnemu predmetu. To svetlobo lahko ustvarijo različni viri, vključno s svetlečimi diodami LED ali laserji.
2. Odkrivanje odseva: Ko oddana svetloba naleti na predmet, se del svetlobe odbije nazaj proti senzorju. Količina in intenzivnost te odbite svetlobe sta odvisni od oddaljenosti predmeta in značilnosti njegove površine.
3. Obdelava signalov: Sprejemnik senzorja zazna odbito svetlobo. Če količina odbite svetlobe preseže določen prag, senzor ugotovi, da je prisoten predmet, in ustvari izhodni signal (digitalni ali analogni), ki označuje zaznavanje.
4. Merjenje razdalje: Pri nekaterih naprednih optičnih senzorjih je mogoče izmeriti čas, v katerem se svetloba vrne (pri laserskih senzorjih), in tako izračunati natančno razdaljo do predmeta.

Ta metoda omogoča, da so optični senzorji bližine zelo učinkoviti pri zaznavanju predmetov brez stika, zato so primerni za različne aplikacije v avtomatizaciji, varnosti in zabavni elektroniki.

Različne vrste optičnih senzorjev bližine

Optične senzorje bližine lahko glede na njihovo zasnovo in načela delovanja razdelimo na več vrst:

• Infrardeči (IR) senzorji: Ti senzorji oddajajo infrardečo svetlobo in zaznavajo spremembe odbitega infrardečega sevanja. Običajno se uporabljajo v aplikacijah, kot so avtomatska vrata in varnostni sistemi.
• Laserski senzorji: Ti senzorji z uporabo laserskih žarkov zagotavljajo visoko natančnost in sposobnost zaznavanja na velike razdalje. Pogosto se uporabljajo v industrijskih aplikacijah, ki zahtevajo natančne meritve razdalje.
• Fotoelektrični senzorji: Ti so sestavljeni iz vira svetlobe (običajno LED) in sprejemnika. Delujejo lahko v različnih načinih:
  • Preko svetlobnega pramena: Predmet prekine svetlobni snop.
  • Odsevni odsev: Odsevnik in sprejemnik sta na isti strani, reflektor pa odbija oddano svetlobo nazaj v sprejemnik.
  • Razpršeno odbojno: Senzor zaznava svetlobo, ki se odbija od predmeta neposredno pred njim.
• Senzorji časa leta (ToF): Ti napredni senzorji merijo čas, ki ga svetlobni impulz potrebuje za pot do predmeta in nazaj, kar omogoča natančno merjenje razdalje.

VI. Senzorji bližine s Hallovim učinkom

Ključne prednosti senzorjev bližine s Hallovim učinkom

Senzorji bližine s Hallovim učinkom imajo več prednosti, zaradi katerih so zelo učinkoviti za različne aplikacije:

• Brezkontaktno zaznavanje: Ti senzorji zaznavajo prisotnost magnetnih polj brez fizičnega stika, kar zmanjšuje obrabo v primerjavi z mehanskimi stikali.
• Trajnost: Hallovi senzorji so polprevodniške naprave, kar pomeni, da so manj izpostavljeni mehanskim okvaram in lahko delujejo v zahtevnih okoljih, vključno z izpostavljenostjo prahu, umazaniji in vlagi.
• Visoka hitrost in občutljivost: Zaradi hitrega odziva na spremembe v magnetnih poljih so primerni za hitre aplikacije, kot sta krmiljenje motorjev in zaznavanje položaja.
• Vsestranska uporaba: Senzorji s Hallovim učinkom se lahko uporabljajo v številnih aplikacijah, vključno z avtomobilskimi sistemi (npr. senzorji hitrosti koles), potrošniško elektroniko (npr. pametni telefoni) in industrijsko avtomatizacijo (npr. zaznavanje bližine).
• Nizka poraba energije: Ti senzorji običajno porabijo manj energije kot običajna mehanska stikala, zato so idealni za naprave, ki delujejo na baterije.

Teorija delovanja

Teorija delovanja senzorjev bližine s Hallovim učinkom temelji na pojavu Hallovega učinka, ki vključuje interakcijo med električnim tokom in magnetnim poljem. Delujejo na naslednji način:

1. Tok: Senzor s Hallovim učinkom je sestavljen iz tankega traku prevodnega materiala (Hallovega elementa), skozi katerega teče električni tok. Ta tok ustvarja lastno magnetno polje.
2. Interakcija magnetnega polja: Ko zunanje magnetno polje deluje pravokotno na smer toka, na nosilce naboja (elektrone ali luknje) v prevodni snovi deluje sila (Lorentzeva sila), zaradi katere se odmaknejo od svoje ravne poti.
3. Ustvarjanje napetosti: Ta odklon povzroči koncentracijo nosilcev naboja na eni strani Hallovega elementa, kar ustvari napetostno razliko na nasprotnih straneh traku, znano kot Hallova napetost. Velikost te napetosti je sorazmerna z jakostjo magnetnega polja.
4. Izhodni signal: Senzor izmeri to Hallovo napetost in jo pretvori v izhodni signal. Odvisno od zasnove je ta izhod lahko analogni ali digitalni. Pri digitalnih aplikacijah se lahko na primer senzor vklopi ali izklopi glede na to, ali magnetno polje preseže določen prag.
5. Vrste senzorjev s Hallovim učinkom: Senzorje s Hallovim učinkom lahko glede na njihovo konfiguracijo razvrstimo v naslednje skupine:
   • Unipolarni senzorji: Aktivirajo se z eno polariteto magnetnega polja.
   • Bipolarni senzorji: Odzivajo se na obe polariteti.
   • Omnipolarni senzorji: Vključijo se lahko s pozitivnim ali negativnim magnetnim poljem.

VIII. Induktivni senzorji bližine

Značilnosti induktivnih senzorjev bližine

Induktivni senzorji bližine so specializirane naprave, namenjene predvsem za zaznavanje kovinskih predmetov brez fizičnega stika. Tukaj so njihove ključne značilnosti:

• Brezkontaktno zaznavanje: Senzorji zaznavajo kovinske predmete, ne da bi se jih morali dotakniti, kar zmanjšuje obrabo senzorja in zaznanega predmeta.
• Občutljivost na kovine: Ti senzorji so še posebej občutljivi na feromagnetne materiale (kot je železo), vendar lahko zaznajo tudi neželezne kovine (kot sta aluminij in baker), odvisno od zasnove.
• Območje zaznavanja: Običajno je območje zaznavanja odvisno od velikosti in vrste kovinskega predmeta in znaša od nekaj milimetrov do nekaj centimetrov.
• Zanesljivost: Induktivni senzorji so trpežni in lahko delujejo v težkih okoljih, vključno z izpostavljenostjo prahu, vlagi in ekstremnim temperaturam.
• Visoka hitrost: Hitro preklapljajo stanja, zato so primerni za hitre aplikacije v avtomatizaciji in proizvodnih procesih.
• Enostavna namestitev: Induktivni senzorji bližine so pogosto enostavni za namestitev in integracijo v obstoječe sisteme, saj so na voljo različne možnosti montaže.

Operativna metoda

Metoda delovanja induktivnih senzorjev bližine temelji na načelu elektromagnetne indukcije. Tukaj je opisano njihovo delovanje:

1. Vezje oscilatorja: Senzor vsebuje oscilatorsko vezje, ki ustvarja visokofrekvenčno izmenično elektromagnetno polje na senzorju. To elektromagnetno polje se širi v okolico.
2. Generiranje vrtinčnih tokov: Ko se kovinski predmet približa elektromagnetnemu polju, se v kovini sprožijo vrtinčni tokovi. Ti tokovi se zaradi elektromagnetne indukcije pretakajo znotraj kovinskega predmeta.
3. Sprememba amplitude: V vrtinčnih tokovih pride do izgube energije v nihajnem krogu, kar povzroči zmanjšanje amplitude nihanja. Bolj ko se kovinski predmet približuje, večja je izguba energije in bolj se zmanjša amplituda nihanja.
4. Zaznavanje signalov: Senzor vključuje vezje za zaznavanje amplitude, ki spremlja spremembe v stanju nihanja. Ko amplituda zaradi prisotnosti kovinskega predmeta pade pod določen prag, se ta sprememba zazna.
5. Generiranje izhodnega signala: Senzor nato to zaznavanje pretvori v izhodni signal (običajno binarni signal), ki kaže, ali je predmet prisoten ali ne. Ta izhodni signal se lahko uporabi za sprožitev drugih naprav ali procesov v avtomatizacijskem sistemu.

IX. Primerjava različnih tehnologij senzorjev bližine

A. Prednosti in omejitve

Tip senzorja	Prednosti	Omejitve
Induktivni	Visoka zanesljivost pri odkrivanju kovinskih predmetov Trpežna in odporna na težke razmere Hiter odzivni čas	Omejeno na kovinske tarče Občutljivost na elektromagnetne motnje
Kapacitivni	zazna kovinske in nekovinske predmete Deluje skozi nekovinske ovire Nastavljiva občutljivost	krajše območje zaznavanja v primerjavi z induktivnimi senzorji Vpliv okoljskih dejavnikov (vlažnost, temperatura)
Ultrazvok	Brezkontaktno zaznavanje različnih materialov Deluje v zahtevnih okoljih Dolgo območje zaznavanja	Omejena učinkovitost v vakuumu Na zmogljivost lahko vplivata tekstura predmeta in absorpcija zvoka.
Fotoelektrični	Vsestransko uporaben z različnimi konfiguracijami (s svetlobnim snopom, odsevnim snopom) Hiter odzivni čas zazna prozorne predmete	Zahtevnost namestitve za nekatere vrste Uspešnost se lahko razlikuje glede na barvo predmeta in odbojnost.
Laser	Visoka natančnost in zaznavanje na velike razdalje Primerno za majhne ali oddaljene cilje	Večji stroški in poraba energije Varnostni pomisleki pri izpostavljenosti oči Omejena zmogljivost pri prozornih materialih

B. Primerne aplikacije za vsako tehnologijo

Primerne aplikacije za vsako tehnologijo

• Induktivni senzorji bližine:
  • Pogosto se uporablja v industrijski avtomatizaciji za odkrivanje kovinskih delov na tekočih trakovih.
  • Idealno za zaznavanje položaja v strojih in opremi.
• Kapacitivni senzorji bližine:
  • Primeren je za odkrivanje nekovinskih materialov, kot so tekočine, prah in plastika.
  • Pogosto se uporabljajo pri pakiranju, predelavi hrane in merjenju nivoja.
• Ultrazvočni senzorji bližine:
  • Učinkovit pri aplikacijah, ki zahtevajo merjenje razdalje, na primer pri zaznavanju nivoja tekočine in zaznavanju predmetov v robotiki.
  • Uporablja se v avtomobilskih sistemih za pomoč pri parkiranju.
• Fotoelektrični senzorji bližine:
  • Široko se uporabljajo pri pakiranju, sortirnih sistemih in ravnanju z materialom.
  • Primerno za zaznavanje prozornih predmetov ali štetje predmetov na tekočem traku.
• Laserski senzorji bližine:
  • Uporablja se v aplikacijah, ki zahtevajo visoko natančnost, kot so robotsko pozicioniranje in avtomatizirani kontrolni sistemi.
  • Pogosto se uporablja v logistiki za merjenje razdalj ali dimenzij paketov.

Zaključek: Raznolikost tehnologij za zaznavanje bližine

Raznolikost tehnologij za zaznavanje bližine odraža različne zahteve sodobnih sistemov za avtomatizacijo in nadzor. Vsaka vrsta senzorja ima edinstvene prednosti, zaradi katerih je primerna za določene aplikacije, hkrati pa ima tudi omejitve, ki jih je treba upoštevati pri izbiri. Induktivni senzorji so odlični pri zaznavanju kovin, medtem ko kapacitivni senzorji zagotavljajo vsestranskost pri različnih materialih. Ultrazvočni senzorji zagotavljajo zanesljive zmogljivosti merjenja razdalje, medtem ko so fotoelektrični senzorji priljubljeni zaradi svoje hitrosti in prilagodljivosti. Laserski senzorji se odlikujejo po svoji natančnosti na dolgih razdaljah.

Vir članka:

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

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