Vad finns det för andra tekniker som används i närhetssensorer?

I. Introduktion till teknik för närhetssensorer

Närhetsgivare är viktiga enheter som används för att detektera närvaron eller frånvaron av ett objekt inom ett specificerat område utan fysisk kontakt. De fungerar genom att avge olika former av energi - t.ex. elektromagnetiska fält, ljudvågor eller ljus - och mäta responsen när ett föremål kommer nära sensorn. De många olika typerna av närhetssensorteknik gör att de kan användas inom många olika områden, bland annat industriell automation, robotteknik, fordonssystem och konsumentelektronik.

II. Kapacitiva närhetssensorer

Viktiga egenskaper hos kapacitiva närhetssensorer

Kapacitiva närhetssensorer är mångsidiga enheter som känner av närvaron av objekt utan fysisk kontakt. Här är deras viktigaste funktioner:

• Detekteringsområde: Vanligtvis kan kapacitiva sensorer detektera objekt inom ett område på några millimeter upp till cirka 1 tum (25 mm), med vissa modeller som sträcker sig upp till 2 tum.
• Materialkänslighet: Dessa sensorer kan detektera både metalliska och icke-metalliska material, inklusive vätskor, plast och glas, tack vare deras förmåga att känna av förändringar i kapacitansen baserat på målmaterialets dielektriska konstant.
• Beröringsfri drift: De arbetar utan fysisk kontakt, vilket minskar slitaget och förlänger sensorns livslängd.
• Justerbar känslighet: Många kapacitiva sensorer har en potentiometer för justering av känsligheten, vilket gör att användarna kan finjustera detekteringsparametrarna för specifika applikationer.
• LED-indikatorer: De flesta modeller är utrustade med LED-indikatorer för att visuellt bekräfta sensorns driftstatus.

Arbetsprincip

Kapacitiva närhetssensorer fungerar enligt principen om kapacitansförändringar som orsakas av föremål i närheten. Så här fungerar de:

1. Konstruktion: Sensorn består av två metallelektroder som bildar en kondensator. Den ena elektroden är ansluten till en oscillatorkrets, medan den andra fungerar som referensplatta.
2. Kapacitansförändring: När ett föremål närmar sig sensorn kommer det in i det elektriska fält som skapas mellan elektroderna. Denna närvaro förändrar dielektricitetskonstanten mellan plattorna, vilket i sin tur förändrar systemets kapacitans.
3. Oscillationsdetektering: Oscillatorkretsen detekterar dessa förändringar i kapacitansen. När ett objekt närmar sig ökar kapacitansen, vilket leder till en förändring av kretsens svängningsfrekvens. Denna frekvensförändring övervakas av en förstärkare och omvandlas till en binär utsignal som indikerar objektets närvaro.
4. Utgångssignal: När svängningen når en viss tröskelamplitud utlöser det en förändring i sensorns utgångstillstånd. Omvänt, när objektet rör sig bort, minskar amplituden, vilket återställer utsignalen till sitt ursprungliga tillstånd.
5. Hänsyn till miljön: För optimal prestanda bör kapacitiva sensorer användas i miljöer med stabila temperatur- och luftfuktighetsnivåer, eftersom fluktuationer kan påverka deras känslighet och noggrannhet.

III. Närhetssensorer med ultraljud

Fördelar med ultraljudsnärhetssensorer

Närhetssensorer med ultraljud har flera fördelar som gör dem lämpliga för olika applikationer:

• Materialoberoende: De kan upptäcka alla typer av material, inklusive blanka, genomskinliga och oregelbundet formade föremål, utan att påverkas av föremålets färg eller ytstruktur.
• Lång räckvidd för detektering: Ultraljudssensorer kan mäta avstånd större än 1 meter, vilket gör dem idealiska för applikationer som kräver detektering på långa avstånd.
• Robust prestanda under ogynnsamma förhållanden: Dessa sensorer påverkas inte av miljöfaktorer som damm, regn eller snö, vilket kan hindra andra typer av sensorer. Deras funktion förblir tillförlitlig även under utmanande förhållanden.
• Hög känslighet och noggrannhet: Ultraljudssensorer ger exakta mätningar och kan detektera små föremål på stora avstånd.
• Mångsidiga tillämpningar: De används i stor utsträckning inom olika branscher för uppgifter som nivåmätning, objektdetektering och automatiserad processtyrning, vilket visar att de är anpassningsbara till olika scenarier.

Operativ mekanism

Funktionsmekanismen för ultraljudsnärhetssensorer baseras på utsändning och mottagning av högfrekventa ljudvågor. Så här fungerar de:

1. Utsändning av ljudvågor: Sensorn avger ultraljudsvågor (vanligtvis över 20 kHz) mot målobjektet.
2. Reflektion: Dessa ljudvågor färdas tills de träffar ett föremål och reflekteras tillbaka mot sensorn.
3. Mätning av tid: Sensorn mäter den tid det tar för de utsända ljudvågorna att återvända efter att ha träffat föremålet. Detta tidsintervall är avgörande för att bestämma avståndet till objektet.
4. Beräkning av avstånd: Med hjälp av formeln Avstånd = (Ljudhastighet × Tid) / 2 beräknar sensorn avståndet till objektet baserat på ljudhastigheten i luft (cirka 343 meter per sekund vid rumstemperatur) och den uppmätta tiden.
5. Generering av utsignal: När avståndet har beräknats genererar sensorn en utsignal som indikerar om ett objekt befinner sig inom ett förutbestämt område, vilket möjliggör olika applikationer som att utlösa larm eller styra maskiner.

IV. Magnetiska närhetssensorer

Olika typer av magnetiska närhetssensorer

Magnetiska närhetssensorer kan kategoriseras i flera olika typer baserat på deras funktionsprinciper och tillämpningar:

• Reed-omkopplare: Detta är en magnetiskt aktiverad strömbrytare som består av två ferromagnetiska vassrör som är förseglade i en glaskapsel. När ett magnetfält är närvarande kommer vassarna samman för att slutföra en elektrisk krets.
• Hall-effektsensor: Utnyttjar Hall-effektprincipen, där en spänning genereras över en ledare när den utsätts för ett magnetfält. Den här sensorn känner av om det finns magneter och ger en motsvarande utsignal.
• Magnetostriktiv sensor: Mäter positionen för ett magnetiskt objekt med hjälp av den magnetostriktiva effekten, som innebär att förändringar i magnetfältet påverkar ett materials egenskaper.
• Magnetoresistiv sensor: Fungerar baserat på den magnetoresistiva effekten, där det elektriska motståndet i ett ferromagnetiskt material förändras som svar på ett externt magnetfält.
• Induktiv magnetisk närhetssensor: Liknar induktiva sensorer men är särskilt utformade för att detektera magnetfält snarare än metallföremål. De använder en oscillerande spole för att generera ett magnetfält och känner av förändringar när en permanentmagnet närmar sig.

Funktionalitet

Funktionaliteten hos magnetiska närhetssensorer kretsar kring deras förmåga att detektera magnetfält och ge motsvarande utsignaler. Så här fungerar de:

1. Mekanism för detektering: Magnetiska närhetssensorer känner av närvaron av magnetiska objekt (t.ex. permanentmagneter) genom olika principer, bl.a. de som nämns ovan. Varje typ har sin unika metod för avkänning:
   • Reed-brytare stänger kontakter när de utsätts för ett magnetfält.
   • Halleffektsensorer genererar en spänningssignal som svar på närliggande magneter.
   • Magnetostriktiva och magnetoresistiva sensorer mäter förändringar i materialegenskaper på grund av magnetisk påverkan.
2. Signalbehandling: När en förändring i magnetfältet har detekterats bearbetar sensorn denna information för att generera en utsignal. Denna signal kan vara digital (på/av) eller analog, beroende på applikation och sensortyp.
3. Aktivering av utgång: Utsignalen kan utlösa olika åtgärder, t.ex. aktivera larm, styra motorer eller ge återkoppling i automatiserade system. Sensorerna används ofta i applikationer som säkerhetssystem (för dörrar och fönster), industriell automation (positionsdetektering) och konsumentelektronik.
4. Flexibel installation: Magnetiska närhetssensorer kan installeras med eller utan infällning i olika miljöer, inklusive miljöer med icke-magnetiska material som plast eller trä, vilket möjliggör mångsidig användning i olika miljöer.

V. Optiska närhetssensorer （Fotoelektriska sensorer）

Arbetsprinciper för optiska närhetssensorer

Optiska närhetssensorer använder ljus för att detektera närvaro eller frånvaro av objekt inom detekteringsområdet. Den grundläggande funktionsprincipen innebär att ljus sänds ut, vanligtvis i det infraröda eller synliga spektrumet, och att det ljus som reflekteras tillbaka från ett objekt mäts. Här är en sammanfattning av hur de fungerar:

1. Utsändning av ljus: Sensorn avger en ljusstråle mot målobjektet. Detta ljus kan genereras av olika källor, t.ex. lysdioder eller lasrar.
2. Detektering av reflektion: När det utsända ljuset träffar ett objekt reflekteras en del av det tillbaka mot sensorn. Mängden och intensiteten av detta reflekterade ljus beror på objektets avstånd och ytegenskaper.
3. Signalbehandling: Sensorns mottagare detekterar det reflekterade ljuset. Om mängden reflekterat ljus överskrider ett visst tröskelvärde fastställer sensorn att ett objekt är närvarande och genererar en utsignal (antingen digital eller analog) som indikerar detektering.
4. Mätning av avstånd: I vissa avancerade optiska sensorer kan den tid det tar för ljuset att återvända (i fallet med lasersensorer) mätas för att beräkna det exakta avståndet till objektet.

Den här metoden gör att optiska närhetssensorer mycket effektivt kan detektera objekt utan kontakt, vilket gör dem lämpliga för olika tillämpningar inom automation, säkerhet och konsumentelektronik.

Olika typer av optiska närhetssensorer

Optiska närhetssensorer kan klassificeras i flera olika typer baserat på deras konstruktion och funktionsprinciper:

• Infraröda (IR) sensorer: Dessa sensorer avger infrarött ljus och känner av förändringar i den reflekterade IR-strålningen. De används ofta i applikationer som automatiska dörrar och säkerhetssystem.
• Lasersensorer: Dessa sensorer använder laserstrålar och ger hög precision och långdistansdetektering. De används ofta i industriella applikationer som kräver exakta avståndsmätningar.
• Fotoelektriska sensorer: Dessa består av en ljuskälla (vanligtvis en LED) och en mottagare. De kan fungera i olika lägen:
  • Genomstrålande: Sändaren och mottagaren är placerade mitt emot varandra; ett föremål bryter ljusstrålen.
  • Retro-reflekterande: Sändaren och mottagaren sitter på samma sida, med en reflektor som kastar tillbaka det utsända ljuset till mottagaren.
  • Diffust reflekterande: Sändaren och mottagaren är placerade tillsammans; sensorn känner av ljus som reflekteras från ett föremål rakt framför.
• ToF-sensorer (Time-of-Flight): Dessa avancerade sensorer mäter den tid det tar för en ljuspuls att färdas till ett objekt och tillbaka, vilket möjliggör exakt avståndsmätning.

VI. Närhetssensorer med hall-effekt

Viktiga fördelar med närhetssensorer med hall-effekt

Närhetssensorer med hall-effekt har flera fördelar som gör dem mycket effektiva för olika applikationer:

• Beröringsfri avkänning: Dessa sensorer känner av magnetfält utan fysisk kontakt, vilket minskar slitaget jämfört med mekaniska brytare.
• Hållbarhet: Halleffektsensorer är solid state-enheter, vilket innebär att de är mindre benägna att drabbas av mekaniska fel och kan fungera i tuffa miljöer, inklusive exponering för damm, smuts och fukt.
• Hög hastighet och känslighet: De kan reagera snabbt på förändringar i magnetfält, vilket gör dem lämpliga för höghastighetsapplikationer som motorstyrning och positionsavkänning.
• Mångsidiga tillämpningar: Halleffektsensorer kan användas i ett stort antal applikationer, inklusive fordonssystem (t.ex. hjulhastighetssensorer), konsumentelektronik (t.ex. smartphones) och industriell automation (t.ex. närhetsavkänning).
• Låg strömförbrukning: Dessa sensorer förbrukar vanligtvis mindre ström än traditionella mekaniska brytare, vilket gör dem idealiska för batteridrivna enheter.

Operationell teori

Funktionsteorin för närhetssensorer med Hall-effekt baseras på Hall-effektfenomenet, som innebär interaktionen mellan elektriska strömmar och magnetfält. Så här fungerar de:

1. Strömflöde: En Hall-effektsensor består av en tunn remsa av ledande material (Hall-elementet) som genomströmmas av en elektrisk ström. Denna ström genererar sitt eget magnetfält.
2. Interaktion med magnetfält: När ett externt magnetfält appliceras vinkelrätt mot strömriktningen upplever laddningsbärarna (elektroner eller hål) i det ledande materialet en kraft (Lorentz-kraft) som får dem att avvika från sin raka bana.
3. Spänningsgenerering: Denna avböjning resulterar i en koncentration av laddningsbärare på ena sidan av Hall-elementet, vilket skapar en spänningsskillnad mellan de motsatta sidorna av remsan, känd som Hall-spänningen. Storleken på denna spänning är proportionell mot magnetfältets styrka.
4. Signalutgång: Sensorn mäter denna hallspänning och omvandlar den till en utsignal. Beroende på konstruktionen kan denna utsignal vara analog eller digital. I digitala applikationer kan sensorn t.ex. slås på eller av beroende på om magnetfältet överstiger ett visst tröskelvärde.
5. Typer av hall-effektsensorer: Beroende på deras konfiguration kan Hall-effektsensorer klassificeras som:
   • Unipolära sensorer: Aktiveras med en polaritet på magnetfältet.
   • Bipolära sensorer: Reagerar på båda polariteterna.
   • Omnipolära sensorer: Kan aktiveras av antingen ett positivt eller negativt magnetfält.

VIII. Induktiva närhetssensorer

Egenskaper hos induktiva närhetssensorer

Induktiva närhetssensorer är specialiserade enheter som främst är utformade för att detektera metallföremål utan fysisk kontakt. Här är deras viktigaste egenskaper:

• Beröringsfri detektering: De kan detektera metallföremål utan att behöva röra vid dem, vilket minimerar slitaget på både sensorn och föremålet som detekteras.
• Känslighet för metall: Dessa sensorer är särskilt känsliga för ferromagnetiska material (t.ex. järn) men kan även detektera icke-järnmetaller (t.ex. aluminium och koppar) beroende på konstruktionen.
• Detekteringsområde: Avkänningsområdet varierar beroende på metallföremålets storlek och typ, och sträcker sig vanligtvis från några millimeter till flera centimeter.
• Robusthet: Induktiva sensorer är tåliga och kan användas i tuffa miljöer, t.ex. i damm, fukt och extrema temperaturer.
• Hög hastighet: De kan växla tillstånd snabbt, vilket gör dem lämpliga för höghastighetsapplikationer inom automation och tillverkningsprocesser.
• Enkel installation: Induktiva närhetssensorer är ofta enkla att installera och integrera i befintliga system, med olika monteringsalternativ tillgängliga.

Operativ metod

Arbetsmetoden för induktiva närhetssensorer bygger på principen om elektromagnetisk induktion. Så här fungerar de:

1. Oscillatorkrets: Sensorn innehåller en oscillatorkrets som genererar ett högfrekvent växlande elektromagnetiskt fält vid dess avkänningsyta. Detta elektromagnetiska fält sträcker sig ut i det omgivande området.
2. Generering av virvelströmmar: När ett metallföremål närmar sig det elektromagnetiska fältet induceras virvelströmmar i metallen. Dessa strömmar flödar inom metallföremålet på grund av elektromagnetisk induktion.
3. Förändring av amplituden: Förekomsten av dessa virvelströmmar orsakar energiförlust i svängningskretsen, vilket leder till en minskning av svängningens amplitud. Ju närmare metallföremålet kommer, desto större blir energiförlusten och desto mer markant blir minskningen av svängningsamplituden.
4. Detektering av signaler: Sensorn innehåller en amplituddetekteringskrets som övervakar förändringar i svängningsstatus. När amplituden faller under ett visst tröskelvärde på grund av närvaron av ett metallföremål, detekteras denna förändring.
5. Generering av utsignal: Sensorn omvandlar sedan detekteringen till en utsignal (vanligtvis en binär signal) som anger om ett objekt är närvarande eller inte. Denna utsignal kan användas för att trigga andra enheter eller processer i ett automationssystem.

IX. Jämförelse mellan olika tekniker för närhetssensorer

A. Styrkor och begränsningar

Sensortyp	Styrkor	Begränsningar
Induktiv	Mycket tillförlitlig för detektering av metallföremål Slitstark och motståndskraftig mot tuffa förhållanden Snabb svarstid	Begränsad till metalliska mål Känslig för elektromagnetisk störning
Kapacitiv	Kan upptäcka både metalliska och icke-metalliska föremål Fungerar genom icke-metalliska barriärer Justerbar känslighet	Kortare avkänningsavstånd jämfört med induktiva sensorer Påverkas av miljöfaktorer (luftfuktighet, temperatur)
Ultraljud	Beröringsfri detektering av olika material Fungerar i tuffa miljöer Långt detekteringsområde	Begränsad effektivitet i ett vakuum Prestanda kan påverkas av objektets struktur och ljudabsorption
Fotoelektrisk	Mångsidig med olika konfigurationer (genomstrålande, retroreflekterande) Snabb svarstid Kan upptäcka genomskinliga objekt	Komplex installation för vissa typer Prestanda kan variera beroende på objektets färg och reflektionsförmåga
Laser	Hög precision och långdistansdetektering Lämplig för små eller avlägsna mål	Högre kostnad och energiförbrukning Säkerhetsproblem med exponering av ögon Begränsad prestanda med transparenta material

B. Lämpliga tillämpningar för varje teknik

Lämpliga tillämpningar för varje teknik

• Induktiva närhetssensorer:
  • Används ofta inom industriell automation för att detektera metalldelar på transportband.
  • Idealisk för positionsavkänning i maskiner och utrustning.
• Kapacitiva närhetssensorer:
  • Lämplig för detektering av icke-metalliska material som vätskor, pulver och plast.
  • Används ofta inom förpacknings-, livsmedelsbearbetnings- och nivåmätningsapplikationer.
• Närhetssensorer med ultraljud:
  • Effektiv i applikationer som kräver avståndsmätning, t.ex. vätskenivåavkänning och objektdetektering i robotteknik.
  • Används i fordonssystem för parkeringsassistans.
• Fotoelektriska närhetssensorer:
  • Används ofta inom förpackning, sorteringssystem och materialhantering.
  • Lämplig för detektering av genomskinliga föremål eller för att räkna föremål på ett transportband.
• Närhetssensorer med laser:
  • Används i applikationer som kräver hög precision, t.ex. robotpositionering och automatiserade inspektionssystem.
  • Vanligt förekommande inom logistik för att mäta avstånd eller dimensioner på paket.

Slutsats: Mångfalden av teknologier för närhetsavkänning

Mångfalden av tekniker för närhetssensorer återspeglar de varierande kraven i moderna automations- och styrsystem. Varje sensortyp har unika styrkor som gör den lämplig för specifika applikationer, samtidigt som det finns begränsningar som måste beaktas vid valet. Induktiva sensorer är utmärkta för att detektera metaller, medan kapacitiva sensorer är mångsidiga med olika material. Ultraljudssensorer ger robusta avståndsmätningsegenskaper, medan fotoelektriska sensorer föredras för sin snabbhet och anpassningsförmåga. Lasersensorer utmärker sig för sin precision över långa avstånd.

Artikel Källa:

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

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