Näherungssensoren:Überprüfung der verschiedenen Technologien

Erfahren Sie, wie sich vier verschiedene Arten von Näherungssensortechnologien vergleichen lassen:Ultraschall-, Lichtschranken-, Laser-Entfernungsmesser und induktive Sensoren.

Am häufigsten als berührungslose Methode verwendet, um entweder eine einfache Objekterkennung oder eine präzise Entfernungsmessung zu einem Objekt bereitzustellen, gibt es heute viele Technologien, die unter die Näherungssensorhierarchie fallen, die jeweils unterschiedliche Betriebsprinzipien, Stärken und Nachteile bieten.

Doch wie wählt ein Ingenieur bei einer so großen Vielfalt an verfügbaren Optionen die für sein Design am besten geeignete Technologie aus?

Um Designer bei diesem Prozess zu unterstützen, werden in diesem Artikel vier der beliebtesten Näherungssensortechnologien erörtert, die realistisch in tragbare oder kleine feste eingebettete Systeme passen und für mittlere Erkennungsbereiche von wenigen Zoll bis zu mehreren Metern geeignet sind:

• Ultraschall
• Photoelektrisch
• Laser-Entfernungsmesser
• Induktive Sensoren

Kapazitive und Hall-Effekt-Sensoren sind zwei weitere beliebte Näherungssensor-Technologien, die hier nicht berücksichtigt werden, da sie normalerweise nur in sehr engen Umgebungserkennungsszenarien verwendet werden.

Bevor wir uns mit jeder der vier oben genannten Technologien befassen, ist es wichtig zu beachten, dass keine Näherungssensortechnologie eine universelle Lösung für jede Anwendung und jeden Verwendungszweck bietet. Bei der Auswahl einer Näherungssensortechnologie sind viele Faktoren zu berücksichtigen, z. B. Kosten, Erfassungsbereich, Gehäusegröße, Bildwiederholfrequenz und Materialwirkung.

Zu wissen, wo die einzelnen Technologien im Spektrum dieser verschiedenen Faktoren liegen und welche für die Endanwendung am wichtigsten sind, ist der Schlüssel zur richtigen Auswahl.

Ultraschalltechnologie

Ultraschallsensoren erzeugen Ultraschall-Schallimpulse und messen die Zeit, die dieser Impuls benötigt, um von einem Objekt abzuprallen und zurückzukehren. Sie können verwendet werden, um die Entfernung zu dem Objekt zu berechnen oder einfach seine Anwesenheit zu erkennen.

Eine Ultraschallsensorimplementierung kann entweder einzelne Sender- und Empfängermodule verwenden – wobei der Sender ein Chirpen aussendet und der Empfänger es erkennt – oder die Sende- und Empfangsfunktionen können in einem einzigen Modul kombiniert werden, das als Ultraschall-Transceiver bekannt ist. Bei Implementierungen, bei denen separate Sender- und Empfängermodule verwendet werden, werden sie normalerweise so nah wie möglich beieinander positioniert, um die größtmögliche Genauigkeit zu erzielen.

Abbildung 1. Allgemeine Implementierung der Ultraschalltechnologie

Ultraschallsensoren sind aufgrund ihres einfachen Aufbaus eine kostengünstige Option mit einer Reihe von Vorteilen, die sie für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet machen. Ultraschallsensoren können Hunderte von Impulsen pro Sekunde aussenden und sind mit einer hohen Bildwiederholfrequenz genau.

Da Ultraschallsensoren auf Schall und nicht auf elektromagnetischen Wellen basieren, haben Farbe und Transparenz von Objekten sowie der Betrieb in hellen oder dunklen Umgebungen keinen Einfluss auf Genauigkeit oder Funktion. Wenn sich Schallwellen im Laufe der Zeit ausbreiten, vergrößert sich außerdem ihr Erfassungsbereich, was je nach Designanforderungen eine Stärke oder Schwäche sein kann.

Obwohl der Schall nicht durch Licht oder Dunkelheit beeinflusst wird, wird die Schallgeschwindigkeit durch Änderungen der Lufttemperatur beeinflusst. Jede dramatische Änderung dieser Temperatur kann die Genauigkeit von Ultraschallsensoren stark beeinträchtigen. Dies kann durch Messen der Temperatur ausgeglichen werden, um Berechnungen zu aktualisieren, aber dies ist immer noch eine Einschränkung der Technologie.

Diese Schallwellen können auch durch weiche oder absorbierende Materialien begrenzt werden, die den Schall nicht so effizient abprallen lassen. Schließlich sind Ultraschallsensoren nicht für den Einsatz unter Wasser bestimmt und aufgrund ihrer Abhängigkeit von Schallwellen in einem Vakuum, in dem es kein Medium zur Schallübertragung gibt, funktionslos. Der Blog von CUI Devices, The Basics of Ultrasonic Sensors, behandelt diese Technologie ausführlicher.

Photoelektrische Technologie

Am effektivsten für die Abwesenheits- oder Anwesenheitserkennung, werden photoelektrische Sensoren allgemein für ihre Verwendung in Garagentorsensoren oder Insassenzählung in Geschäften, neben anderen Industrie-, Wohn- und Gewerbeanwendungen, anerkannt. Ohne bewegliche Teile haben Lichtschranken im Allgemeinen lange Produktlebenszyklen. Sie können die meisten Materialien wahrnehmen, aber transparente Gegenstände oder Wasser können zu Problemen führen.

Sie bieten verschiedene Implementierungen:Einweglicht, retroreflektierend und diffus-reflektierend.

Die Einweg-Implementierung (Abbildung 2) ist das, was man als den oben erwähnten Garagentorsensor mit gegenüberliegendem Sender und Empfänger erkennen könnte. Jede Unterbrechung des Strahls zwischen diesen beiden Punkten zeigt dem Sensor das Vorhandensein eines Objekts an.

Abbildung 2. Einweg-Implementierung

Retroreflektiv (Abbildung 3) platziert Sender und Empfänger nebeneinander mit einem gegenüberliegenden Retroreflektor, der den Strahl vom Sender zum Empfänger reflektiert.

Abbildung 3. Retroreflektierende Implementierung

Diffus-reflektierend (Abbildung 4) funktioniert ähnlich wie retroreflektierend, reflektiert jedoch die Strahlen nicht von einem Reflektor, sondern reflektiert den Strahl von jedem nahegelegenen Objekt, ähnlich wie bei Ultraschallsensoren. Diese Implementierung kann jedoch keine Entfernung berechnen.

Abbildung 4. Diffuse reflektierende Implementierung

Die unterschiedlichen Ausführungen haben auch ihre Vorteile, da Einweg- und Retroreflexion lange Detektionsreichweiten und schnelle Reaktionszeiten bieten, während diffus-reflektierend kleine Objekte gut erkennen kann. Optische Sensoren sind auch eine robuste Lösung, die häufig in industriellen Umgebungen zu finden ist, solange die Linse frei von Verunreinigungen bleibt. Abgesehen davon ist die Entfernungsberechnung eine praktisch nicht vorhandene Fähigkeit von photoelektrischen Sensoren und die Objektfarbe sowie das Reflexionsvermögen können Probleme verursachen.

Die verschiedenen photoelektrischen Implementierungen erfordern auch eine sorgfältige Montage und Ausrichtung, was in komplexen Systemen zu zusätzlichen Herausforderungen führen kann.

Laser-Entfernungsmesser-Technologie

Laser-Entfernungsmessersensoren verwenden elektromagnetische Strahlen anstelle von Schallwellen und arbeiten nach ähnlichen Prinzipien wie Ultraschallsensoren. Obwohl diese Technologie in den letzten Jahren wirtschaftlicher geworden ist, ist sie im Vergleich zu Ultraschall und anderen Technologien immer noch eine viel teurere Option.

Die Laser-Entfernungsmesser-Technologie hat einen extrem langen Erfassungsbereich von Hunderten oder Tausenden von Fuß, zusammen mit schnellen Reaktionszeiten. Da die Lichtgeschwindigkeit viel schneller als die Schallgeschwindigkeit ist, können Laufzeitmessungen für Laser-Entfernungsmessersensoren eine Herausforderung darstellen. Hier können Implementierungen wie Interferometrie verwendet werden, um die Kosten zu senken und die Genauigkeit zu verbessern.

Abbildung 5. Typischer Aufbau der Laser-Entfernungsmesser-Interferometrie

Wie bereits erwähnt, ist die Laser-Entfernungsmessung bei weitem die teuerste Technologie, die in diesem Artikel diskutiert wird, was sie für die Materialliste vieler Ingenieure weniger praktikabel macht. Die in dieser Sensortechnologie verwendeten Laser verbrauchen auch viel Strom, was den Einsatz in tragbaren Anwendungen einschränkt und gleichzeitig den Benutzer potentiellen Sicherheitsrisiken für die Augen aussetzt.

Abhängig von der beabsichtigten Anwendung können der relativ fokussierte Erfassungsbereich eines Lasers und die fehlende Streuung als Vorteil oder Einschränkung angesehen werden. Laser-Entfernungsmesser schneiden auch im Umgang mit Wasser oder Glas nicht gut ab.

Induktive Technologie

Obwohl auf einem älteren Wirkprinzip beruhend, finden in letzter Zeit induktive Sensoren immer mehr Verbreitung. Im Gegensatz zu den anderen drei bisher diskutierten Technologien ist die induktive Technologie jedoch nur für metallische Gegenstände geeignet.

Induktive Sensoren arbeiten, indem sie Änderungen in ihrem Magnetfeld erkennen, wenn metallische Objekte in ihren Erfassungsbereich kommen. Dies ist das grundlegende Funktionsprinzip jedes Metalldetektors.

Abbildung 6. Induktive Sensoren werden verwendet, um Metallobjekte zu erkennen

Außerhalb des gewöhnlichen Metalldetektors haben induktive Sensoren einen weiten Erfassungsbereich, der typischerweise im Bereich von Millimetern bis Metern liegt. Dies könnte Anwendungen im Nahbereich wie das Zählen von Zahnradumdrehungen oder Implementierungen mit größerer Reichweite wie die Fahrzeugerkennung auf Straßen umfassen.

Sie funktionieren am besten mit eisenhaltigen Materialien (z. B. Eisen und Stahl), können jedoch mit einem verringerten Erfassungsbereich immer noch nichtmagnetische Objekte erkennen. Induktive Sensoren zeichnen sich zudem durch extrem schnelle Bildwiederholraten, einfache Bedienung und Flexibilität hinsichtlich ihres Erfassungsbereichs aus. Sie sind jedoch letztendlich durch das, was sie wahrnehmen können, begrenzt und anfällig für Störungen aus einer Vielzahl von Quellen.

Schlussfolgerung

Bei der Auswahl einer Näherungssensorik sind viele Faktoren zu berücksichtigen. Das Verständnis der Vorteile und Kompromisse der verschiedenen in diesem Artikel besprochenen Technologien kann diesen Auswahlprozess erleichtern.

Tabelle 1. Matrixvergleich der abgedeckten Näherungssensoren nach Kosten, Reichweite, Größe, Bildwiederholfrequenz und Materialwirkung.

Obwohl jede Technologie ihre am besten geeigneten Anwendungen hat, sind Ultraschallsensoren aufgrund ihrer geringen Kosten, ihrer Fähigkeit, sowohl Anwesenheit als auch Entfernung zu erkennen, und in der Regel unkomplizierte Implementierung oft eine gute Wahl. Aus diesem Grund finden Ultraschallsensoren in einer so breiten Palette von Bauformen und finden immer wieder neue Verwendungen und Anwendungen.

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