Überlegungen bei der Auswahl einer Näherungssensor-Technologie

Von Jeff Smoot, VP für Apps Engineering und Motion Control bei CUI Devices

Es gibt eine Reihe bedeutender Näherungssensor-Technologien, jede mit sehr unterschiedlichen Betriebsstandards und Vorteilen, wenn es um die Technologie zur Objekterkennung und die Distanz geht, für die sie ausgelegt sind. Dieser Artikel beschreibt vier der möglichen Optionen für kompakte, fest eingebettete Systeme und deren Funktionsprinzipien, um Ingenieuren bei der Entscheidung zu helfen, welche Option sie für ihr Design wählen sollen.

Näherungssensoren bieten eine genaue Methode zur Erkennung der Anwesenheit und Entfernung eines Objekts, ohne dass ein physischer Kontakt besteht. Der Sensor sendet entweder ein elektromagnetisches Feld, Licht oder eine Ultraschallwelle aus, die von einem Objekt reflektiert wird oder dieses durchdringt und zum Sensor zurückkehrt. Ein wesentlicher Vorteil, den Näherungssensoren gegenüber herkömmlichen Endschaltern haben, ist, dass sie robuster sind und länger halten, da keine mechanischen Teile verwendet werden.

Bei der Überprüfung der idealen Näherungssensor-Technologie für eine bestimmte Anwendung müssen Kosten, Reichweite, Größe, Aktualisierungsrate oder Latenz und Materialeffekt berücksichtigt und in den Kontext gestellt werden, was für das Design am wichtigsten ist.

Ultraschall

Wie der Name schon sagt, senden Ultraschall-Näherungssensoren einen Ultraschallimpuls aus, der als „Zirpen“ bezeichnet wird, um die Anwesenheit eines Objekts zu erkennen, und können auch zur Berechnung der Entfernung zum Objekt verwendet werden. Sie bestehen aus einem Sender und einem Empfänger, und ihre Funktion basiert auf den Prinzipien der Echoortung (Abbildung 1).

Diagramm zum Betrieb des UltraschallsensorsAbbildung 1: Funktionsweise eines Ultraschallsensors. (Bildquelle: CUI Devices)

Durch die Messung der Zeitspanne, die das Signal benötigt, um von einer Oberfläche reflektiert zu werden und zurückzukehren, oft als „Laufzeit“ (ToF) bezeichnet, kann der Sensor bestimmen, wie weit das Objekt entfernt ist. Normalerweise befinden sich Sender und Empfänger nahe beieinander, aber die Nutzung der Echoortung funktioniert auch, wenn Sender und Empfänger getrennt sind. In einigen Fällen sind die Sende- und Empfangsfunktionen in einem einzigen Gehäuse vereint; diese Komponenten werden als Ultraschall-Transceiver bezeichnet.

Durch die Verwendung von Schall anstelle von elektromagnetischen Wellen sind die Messwerte des Ultraschallsensors unbeeinflusst von der Farbe und Transparenz eines Objekts. Sie haben auch den zusätzlichen Vorteil, dass sie kein Licht erzeugen, was sie ideal für dunkle Umgebungen oder sogar solche mit heller Beleuchtung macht. Die Schallwellen erzeugen eine Ausbreitung über Zeit und Entfernung, ähnlich wie ein Plätschern im Wasser, und diese Verbreiterung des Erfassungsbereichs oder des Sichtfelds (FoV) kann je nach Anwendung als Stärke oder Schwäche angesehen werden. Mit einer guten Genauigkeit, einer relativ hohen Aktualisierungsrate und der Möglichkeit, Hunderte von Signalen pro Sekunde zu übertragen, können Ultraschall-Näherungssensoren jedoch eine kostengünstige, vielseitige und sichere Lösung darstellen.

Ein grundsätzlicher Nachteil von Ultraschallsensoren ist, dass sich die Geschwindigkeit der Schallwelle durch die wechselnde Lufttemperatur verändert, was die Genauigkeit der Messungen verringert. Dies kann jedoch ausgeglichen werden, indem die Temperatur über die Entfernung zwischen Sender und Empfänger gemessen und die Berechnungen entsprechend angepasst werden. Eine weitere Einschränkung ist die Tatsache, dass es unmöglich ist, Ultraschallsensoren in einem Vakuum zu verwenden, in dem es keine Luft gibt, die den Schall überträgt. Weiche Materialien reflektieren den Schall auch nicht so effizient wie harte Oberflächen, was ebenfalls die Genauigkeit beeinträchtigen kann. Und schließlich funktioniert die Ultraschallsensorik, obwohl sie einem ähnlichen Konzept wie Sonar folgt, auch nicht unter Wasser.

Fotoelektronik

Um die An- oder Abwesenheit eines Objekts zu erkennen, sind Lichtschranken eine praktische Option. Sie sind in der Regel infrarotbasiert und werden typischerweise in Garagentorsensoren oder zur Personenzählung in Geschäften eingesetzt, eignen sich aber auch für eine Vielzahl anderer industrieller Anwendungen.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Lichtschranken zu implementieren (Abbildung 2). Bei der Einweglichtschranke befindet sich ein Sender auf einer Seite des Objekts und ein Detektor auf der gegenüberliegenden Seite. Wenn der Strahl unterbrochen wird, dann zeigt dies an, dass ein Objekt vorhanden ist. Bei einer retroreflektiven Implementierung befinden sich Sender und Detektor zusammen auf einer Seite, während der Reflektor gegenüber liegt. Auch bei der diffusen Anordnung sind Sender und Detektor gemeinsam angeordnet, jedoch wird das emittierte Licht von jedem Objekt reflektiert, das erkannt werden soll. Mit diesem Aufbau ist es nicht möglich, den Abstand zu messen.

Diagramm der Lichtschranken: Einweglichtschranke, Retroreflexion und Diffus-ReflexivAbbildung 2: Lichtschranken - Einweglichtschranke, retroreflexive Lichtschranke und diffus-reflektive Lichtschranke. (Bildquelle: CUI Devices)

Durch den Aufbau einer Lichtschranke in der Einwegkonfiguration oder retroreflektiven Konfiguration eignen sie für Anwendungen, die einen großen Erfassungsbereich mit geringer Latenzzeit erfordern. Da sie jedoch sorgfältig montiert und ausgerichtet werden müssen, kann die Systeminstallation in stark frequentierten Umgebungen eine Herausforderung darstellen. Implementierungen des diffusen Typs sind besser geeignet für die Erkennung kleiner Objekte und können auch mobile Detektoren sein.

Photoelektrische Sensoren können in schmutzigen Umgebungen eingesetzt werden, wie sie häufig in industriellen Umgebungen vorkommen, und bieten in der Regel eine längere Lebensdauer als andere Alternativen, da sie keine beweglichen Teile besitzen. Solange das Objektiv geschützt und sauber gehalten wird, bleibt die Leistung der Sensoren erhalten. Obwohl sie die meisten Objekte abtasten können, können bei transparenten und reflektierenden Oberflächen sowie bei Wasser Probleme auftreten. Weitere Einschränkungen sind die genaue Abstandsberechnung und, je nach optischer Quelle, die Erkennung von Objekten einer bestimmten Farbe, z. B. rot bei Verwendung von IR.

Laserentfernungsmesser

In der Vergangenheit war die Laserentfernungsmessung (LRF) eine teure Option, die sich aber in letzter Zeit für viele Anwendungen als praktikable Lösung erwiesen hat. Die Hochleistungssensoren arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie Ultraschallsensoren, verwenden jedoch einen Laserstrahl anstelle von Schallwellen.

Da sich Photonen mit einer extrem hohen Geschwindigkeit bewegen, kann die genaue Berechnung der Laufzeit schwierig sein. Hier können Techniken wie der Einsatz von Interferometrie helfen, die Genauigkeit zu erhalten und gleichzeitig die Kosten zu senken (Abbildung 3). Ein weiterer Vorteil von Laser für Entfernungsmessersensoren ist, dass sie aufgrund der Nutzung des elektromagnetischen Strahls in der Regel eine unglaublich große Reichweite haben (bis zu Tausende von Metern) und die Reaktionszeit minimal ist.

Schema der Implementierung eines Laserentfernungsmessers mit InterferometrieAbbildung 3: Implementierung eines Laser-Entfernungsmessersensors mittels Interferometrie. (Bildquelle: CUI Devices)

Trotz der ultraniedrigen Latenzzeit und großen Reichweite dieser Sensoren haben sie ihre eigenen Grenzen. Die Laser sind stromhungrig, was wiederum bedeutet, dass sie nicht für batteriebetriebene oder tragbare Anwendungen geeignet sind, und es gibt Sicherheitsaspekte in Bezug auf die Augengesundheit zu berücksichtigen. Eine weitere Überlegung ist, dass das Sichtfeld relativ schmal ist und, wie bei photoelektrischen Sensoren, diese nicht gut mit Wasser oder Glas funktionieren. Obwohl der Preis für diese Art von Technologie sinkt, ist sie immer noch eine der teuersten Optionen.

Induktion

Induktive Sensoren gibt es schon seit vielen Jahren, aber sie werden immer mehr zu einem Standardprodukt. Im Gegensatz zu den anderen Näherungssensor-Technologien funktionieren sie jedoch nur mit metallischen Objekten, da sie ein Magnetfeld zur Erkennung verwenden (Abbildung 4). Eine typische Anwendung wäre ein Metalldetektor.

Schematische Darstellung der Funktionsweise eines induktiven SensorsAbbildung 4: Funktionsweise eines induktiven Sensors, (Bildquelle: CUI Devices)

Der Erfassungsbereich kann variieren, je nachdem, wie der Sensor eingerichtet ist. Eine Kurzstreckenanwendung könnte das Zählen von Zahnradumdrehungen sein, indem erkannt wird, wenn sich ein Zahnradzahn neben dem Sensor befindet. Eine Anwendung mit längerer Reichweite könnte das Zählen von Fahrzeugen sein, bei der induktive Sensoren in eine Straßenoberfläche eingebettet werden. Ein Beispiel für die extremsten Entfernung, über die diese Sensoren arbeiten können, ist die Erkennung von Weltraumplasma. Als Näherungssensor werden induktive Sensoren in der Regel für Anwendungen mit sehr kurzen Reichweiten eingesetzt und können extrem schnelle Aktualisierungsraten liefern, da sie auf dem Prinzip der Erfassung von Unterschieden in elektromagnetischen Feldern basieren. Sie funktionieren auch besser bei eisenhaltigen Materialien wie Eisen und Stahl.

Induktive Sensoren bieten eine kostengünstige Lösung über einen großen Bereich. Allerdings müssen die Einschränkungen bei den Materialien, die sie erfassen können, sowie die Tatsache, dass sie anfällig für eine Vielzahl von Störquellen sind, berücksichtigt werden.

Fazit

Wenn man alle Herausforderungen bei der Implementierung von Näherungssensoren berücksichtigt, sind Ultraschallsensoren oft die beste Technologie (Abbildung 5). Ihre geringen Kosten, die Fähigkeit, die Anwesenheit eines Objekts zu erkennen, seine Entfernung genau zu berechnen und die einfache Handhabung sind die entscheidenden Attribute.

Tabelle zum Vergleich der vier Näherungssensor-TechnologienAbbildung 5: Vergleich der vier Näherungssensor-Technologien (Bildquelle: CUI Devices)

Weitere Informationen zu den Ultraschallsensoren von CUI Devices finden Sie hier: CUI Devices - Ultraschallsensoren

Haftungsausschluss: Die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der verschiedenen Autoren und/oder Forumsteilnehmer dieser Website spiegeln nicht notwendigerweise die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der Digi-Key Electronics oder offiziellen Politik der Digi-Key Electronics wider.

Über den Autor

Jeff Smoot, VP für Apps Engineering und Motion Control bei CUI Devices

Artikel bereitgestellt von Jeff Smoot von CUI Devices.