Konstruksjonshensyn ved valg av nærhetssensorteknologi

Det finnes flere ledende nærhetssensorteknologier; der hver av disse har svært forskjellige driftsstandarder og forskjellige fordeler når det gjelder å fastsette deteksjon, avstand eller nærhet. Denne artikkelen tar for seg fire av de mulige alternativene for kompakte, faste integrerte systemer og deres grunnleggende driftsprinsipper for å gjøre det enklere for teknikere å fastsette hvilket alternativ som er mest hensiktsmessig basert på konstruksjonskravene de har.

Nærhetssensorer gir en nøyaktig måte å detektere nærværet og avstanden til en gjenstand på, uten å ha noen fysisk kontakt. Sensoren avgir enten et elektromagnetisk felt, lys eller en ultralydbølge som reflekteres vekk fra, eller passerer gjennom, en gjenstand og returnerer til sensoren. En betydelig fordel nærhetssensorer har sammenlignet med konvensjonelle grensebrytere, er at de er mer holdbare og har lenger levetid, siden de ikke har noen mekaniske deler.

Når den ideelle nærhetssensorteknologien gjennomgås for en bestemt konstruksjon, må kostnader, rekkevidde, størrelse, oppdateringshastighet eller latenstid og materialeffekt vurderes og settes i sammenheng med det som er viktigst for konstruksjonen.

Ultrasonisk

Som navnet antyder, sender ultralydbaserte nærhetssensorer ut en ultralydpuls, kalt et «kvitter» (chirp), for å detektere nærværet til en gjenstand, og kan også brukes til å beregne avstanden til gjenstanden. De består av en sender og mottaker, og funksjonen er basert på prinsippene for ekkolokalisering (figur 1).

Figur 1: Slik fungerer en ultralydsensor. (Bildekilde: Same Sky)

Ved å måle hvor lang tid det tar for «kvitteret» å reflekteres vekk fra en overflate og returneres, ofte kalt «flyvetiden» (ToF – Time of Flight), kan sensoren fastsette hvor langt unna gjenstanden er. Vanligvis er senderen og mottakeren plassert i nærheten av hverandre, men bruken av ekkolokalisering vil fortsatt fungere når senderen og mottakeren er adskilt. I noen tilfeller kombineres sende- og mottaksfunksjonene i én enkelt pakke, og disse enhetene er kjent som ultralydtransceivere.

Ved å bruke lyd i stedet for elektromagnetiske bølger, påvirkes ikke ultralydsensoravlesninger av fargen eller gjennomsiktigheten til en gjenstand. De har også den ekstra fordelen at de ikke produserer lys, noe som gjør dem ideelle for mørke omgivelser eller til og med omgivelser som er sterkt opplyst. Lydbølgene skaper en spredning over tid og avstand, omtrent som krusninger i vann, og denne utvidelsen av deteksjonsområdet, eller synsfeltet (FoV – Field of View), kan betraktes som en enten en fordel eller en ulempe avhengig av bruksområdet. Med et godt nøyaktighetsnivå, en ganske høy oppdateringsfrekvens og potensialet til å overføre hundrevis av kvitre (chirps) per sekund, kan imidlertid ultralydbaserte nærhetssensorer tilby en kostnadseffektiv, allsidig og sikker løsning.

Én grunnleggende ulempe med ultralydsensorer er at endringer i lufttemperatur vil påvirke lydbølgens hastighet, noe som vil redusere nøyaktigheten av målingene. Dette kan imidlertid utjevnes ved å måle temperaturen på tvers av avstanden mellom senderen og mottakeren og følgelig justere beregningene. Andre begrensninger omfatter at det faktisk er umulig å bruke ultralydsensorer i et vakuum, da det ikke er noe luft å overføre lyden i. Myke materialer vil heller ikke reflektere lyden like effektivt som harde overflater, noe som kan påvirke nøyaktigheten. Og til sist, selv om ultralydsensorteknologien bruker et lignende konsept som sonar, fungerer den ikke under vann.

Fotoelektrisk

Fotoelektriske sensorer er et praktisk alternativ når det gjelder å detektere tilstedeværelsen eller fraværet av en gjenstand. De er vanligvis infrarødbaserte, der typiske bruksområder er garasjedørsensorer eller for opptelling av butikkokkupanter, men de er egnet i et bredt spekter av andre industrielle bruksområder.

Det er flere måter å implementere fotoelektriske sensorer på (figur 2). Gjennomstrålende lys bruker en emitter på den ene siden av en gjenstand med en detektor på den andre siden. Hvis strålen brytes, indikerer dette at en gjenstand er til stede. Med en retroreflektiv implementering er emitteren og detektoren plassert sammen, mens reflektoren er plassert på motsatt side. På samme måte vil den diffuse anordningen samlokalisere emitteren og detektoren, men det avgitte lyset vil i stedet reflekteres vekk fra alle gjenstander som detekteres. Det er ikke mulig å måle avstand med dette oppsettet.

Figur 2: Fotoelektriske sensorer – gjennomstrålende lys, retroreflektiv og diffus-reflektiv. (Bildekilde: Same Sky)

Oppsett av fotoelektriske sensorer i konfigurasjon for retroreflektiv eller gjennomstrålende lys, gjør dem egnet for bruksområder som krever utvidet deteksjonsområde med lav latenstid. Men, ettersom de må monteres og justeres nøyaktig, kan systeminstallasjon i travle omgivelser være utfordrende. Diffuse typeimplementasjoner er bedre egnet for deteksjon av små gjenstander, og de kan også være mobile detektorer.

Fotoelektriske sensoroppsett kan brukes i skitne omgivelser, som ofte er å finne i industrielle miljøer, og de tilbyr vanligvis lengre levetid sammenlignet med andre alternativer, siden de ikke har noen bevegelige deler. Så lenge linsen er beskyttet og holdt ren, vil ytelsen til sensorene opprettholdes. Selv om de kan detektere de fleste gjenstander, kan det oppstå problemer for gjennomsiktige og reflekterende overflater og vann. Andre begrensninger omfatter nøyaktig avstandsberegning og, avhengig av den optiske kilden, deteksjon av gjenstander med en bestemt farge, for eksempel rød hvis du bruker IR.

Laseravstandsmålere

Laseravstandsmåling (LRF – laser range finding) er historisk sett et dyrt alternativ, men har nylig blitt en mer levedyktig løsning for mange konstruksjoner. De kraftige sensorene opererer med samme prinsipp som ultralydsensorer, men de bruker en laserstråle i stedet for lydbølger.

Fordi fotoner beveger seg med veldig høy hastighet, kan det være vanskelig å beregne ToF nøyaktig. Her kan teknikker som interferometri bidra til å opprettholde nøyaktighet og samtidig redusere kostnader (figur 3). En annen fordel med sensorer for laseravstandsmåling er at de, på grunn av bruken av den elektromagnetiske strålen, vanligvis har en utrolig lang rekkevidde (flere tusen meter) og responstiden er minimal.

Figur 3: Implementering av sensor for laseravstandsmåler ved bruk av interferometri. (Bildekilde: Same Sky)

Til tross for den svært lave latenstiden og rekkeviddemulighetene til disse sensorene, har de sine egne begrensninger. Laserne har høyt strømforbruk, noe som igjen betyr at de ikke egner seg for batteridrevne eller bærbare konstruksjoner, og det er sikkerhetsproblemer å ta hensyn til når det kommer til øyehelse (okkulær helse). En annen betraktning er at FoV også er relativt smal, og, i likhet med fotoelektriske sensorer, fungerer de ikke som de skal med vann eller glass. Til tross for at prisen for denne typen teknologi stadig reduseres, er den også fremdeles et av de dyreste tilgjengelige alternativene.

Induktiv

Induktive sensorer har eksistert i mange år, men de er i ferd med å bli mer konvensjonelle. I motsetning til de andre teknologiene for nærhetsdeteksjon, fungerer de bare med metallgjenstander, ettersom de bruker et magnetfelt til deteksjon (figur 4). Et typisk bruksområde ville være en metalldetektor.

Figur 4: Slik fungerer en induktiv sensor, (bildekilde: Same Sky)

Deteksjonsområdet kan variere avhengig av hvordan sensoren er konfigurert. Et bruksområde for korte distanser kan være å telle tannhjulrotasjoner ved å detektere når en tannhjultann er til stede ved siden av sensoren. Bruksområder som omfatter lengre distanser kan være å telle kjøretøyer ved å integrere induktive sensorer i en veioverflate eller til og med demonstrere den ekstreme avstanden sensorene kan operere over – ved å detektere plasma i verdensrommet. Som nærhetssensor har induktive sensorer en tendens til å anvendes for bruksområder med svært korte avstander, og de kan gi ekstremt raske oppdateringshastigheter siden de er basert på prinsippet om å detektere forskjeller i elektromagnetiske felt. De yter også bedre med jernholdige materialer, for eksempel jern og stål.

Induktive sensorer tilbyr en kostnadseffektiv løsning over et stort område. Begrensningene disse sensorene har når det kommer til hvilke materialer de er følsomme for, kombinert med det faktum at de er mottakelige for et bredt spekter av interferenskilder, må imidlertid tas hensyn til.

Konklusjon

Når man vurderer alle implementeringsutfordringene for nærhetsdeteksjon, er ultralydsensorer ofte den beste generelle teknologien (figur 5). Lave kostnader, evnen til å detektere tilstedeværelsen av en gjenstand, nøyaktig avstandsberegning og brukervennlighet, er de hovedegenskapene til disse sensorene.

Figur 5: Sammenligning av de fire nærhetssensorteknologiene (bildekilde: Same Sky)

For å få mer informasjon om ultralydsensorer fra Same Sky, kan du besøke: Same Sky ultralydsensorer (Ultrasonic Devices)