Läheisyysanturiteknologian valintaan liittyviä suunnittelunäkökohtia

Kirjoittaja Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control at CUI Devices

On useita johtavia läheisyysanturitekniikoita, joilla kaikilla on hyvin erilaiset käyttöstandardit ja eri vahvuudet tunnistuksen, etäisyyden tai läheisyyden määrittämisessä. Tässä artikkelissa esitellään neljä mahdollista vaihtoehtoa kompakteja kiinteitä sulautettuja järjestelmiä varten sekä niiden toiminnan perusperiaatteet. Näin suunnittelijoiden on helpompi päättää, minkä he valitsevat suunnitteluvaatimusten perusteella.

Läheisyysanturit tarjoavat tarkan menetelmän kohteen läsnäolon ja etäisyyden tunnistukseen ilman fyysistä kontaktia. Anturi emittoi joko sähkömagneettisen kentän, valoa tai ultraääniaallon, joka heijastuu kohteesta tai kulkee sen läpi ja palaa takaisin anturiin. Läheisyysantureilla on perinteisiin rajakytkimiin verrattuna merkittävänä etuna se, että ne ovat kestävämpiä ja pidempikestoisia, koska ne eivät sisällä mekaanisia osia.

Kun arvioidaan mikä olisi ihanteellinen läheisyysanturitekniikka tiettyä sovellusta varten, kustannukset, kantama, koko, virkistystaajuus tai viive ja materiaalivaikutukset on kaikki otettava huomioon ja arvioitava, mikä on suunnittelun kannalta tärkeintä.

Ultraääni

Kuten nimestä voi päätellä, ultraäänianturit lähettävät kohteen läsnäolon tunnistamista varten ultraäänipulssin, jonka avulla voidaan myös laskea etäisyys kohteeseen. Nämä anturit koostuvat lähettimestä ja vastaanottimesta, ja niiden toiminta perustuu kaikupaikannuksen periaatteisiin (kuva 1).

Kaavio: Ultraäänianturin toimintaKuva 1: Miten ultraäänianturi toimii. (Kuvan lähde: CUI Devices)

Anturi voi määrittää kuinka kaukana kohde on mittaamalla kauanko aikaa kuluu siihen, että pulssi heijastuu pinnasta ja anturi vastaanottaa sen. Tätä kutsutaan usein ”kulkuajaksi” (ToF). Yleensä lähetin ja vastaanotin ovat lähellä toisiaan, mutta kaikupaikannus toimii myös silloin, kun lähetin ja vastaanotin ovat erillään. Joissakin tapauksissa lähetys- ja vastaanottotoiminnot on yhdistetty samaan koteloon. Tällaisia laitteita kutsutaan ultraäänilähetin-vastaanottimiksi.

Koska ultraäänianturi käyttää ääntä sähkömagneettisten aaltojen sijasta, kohteen väri ja läpinäkyvyys eivät vaikuta ultraäänianturin lukemiin. Näiden anturien lisäetuna on myös se, että ne eivät tuota valoa, joten ne sopivat erinomaisesti pimeisiin tai jopa kirkkaasti valaistuihin ympäristöihin. Ääniaallot leviävät ajan ja etäisyyden mukana, aivan kuten aaltoilu vedessä, ja tätä tunnistusalueen eli näkökentän laajentumista voidaan pitää vahvuutena tai heikkoutena sovelluksesta riippuen. Ultraäänianturit voivat kuitenkin tarjota kustannustehokkaan, monipuolisen ja turvallisen ratkaisun, koska niiden tarkkuus on hyvä, virkistystaajuus on melko korkea ja ne pystyvät lähettämään satoja pulsseja sekunnissa.

Yksi ultraääniantureiden yleinen haittapuoli on se, että ilmanlämpötilan vaihtelu vaikuttaa ääniaallon nopeuteen ja heikentää mittaustarkkuutta. Tätä voidaan kuitenkin tasapainottaa mittaamalla lämpötila lähettimen ja vastaanottimen väliseltä etäisyydeltä ja korjaamalla laskelmia sen mukaan. Toinen rajoitus on se, että ultraääniantureita on mahdotonta käyttää tyhjiössä, jossa ei ole ilmaa äänen kuljettamiseen. Pehmeät materiaalit eivät myöskään heijasta ääntä yhtä tehokkaasti kuin kovat pinnat, mikä voi heikentää tarkkuutta. Vaikka ultraäänianturitekniikan periaate on samankaltainen kuin ääniluotaimella, se ei toimi veden alla.

Valosähkö

Valosähköiset anturit ovat käytännöllinen vaihtoehto kohteen läsnäolon tai poissaolon tunnistukseen. Ne perustuvat yleensä infrapunateknologiaan ja niiden tyypillisiin käyttökohteisiin kuuluvat esimerkiksi autotallien ovianturit tai asiakkaiden lukumäärän laskenta myymälöissä, mutta ne soveltuvat myös moniin muihin teollisiin sovelluksiin.

Valosähköiset anturit voidaan toteuttaa useilla eri tavoilla (kuva 2). Yksisuuntaisessa säteen katkeamiseen perustuvassa menetelmässä kohteen yhdellä puolella on lähetin ja vastakkaisella puolella on tunnistin. Säteen katkeaminen ilmaisee, että esine on läsnä. Paluuheijastumista käytettäessä lähetin ja tunnistin sijaitsevat yhdessä, kun taas heijastin on vastakkaisella puolella. Samoin diffusoidussa järjestelyssä lähetin ja tunnistin sijaitsevat samassa paikassa, mutta valo sen sijaan lähetetty heijastuu tunnistetusta kohteesta. Tässä toteutuksessa ei mahdollista mitata etäisyyttä.

Kaavio valosähköisistä antureista: yksisuuntaiset säteen katkeamiseen perustuvat menetelmät, paluuheijastumista käyttävät ja diffuusioheijastavat menetelmätKuva 2: yksisuuntaiset säteen katkeamiseen perustuvat menetelmät, paluuheijastumista käyttävät ja diffuusioheijastavat menetelmät (Kuvan lähde: CUI Devices)

Valosähköisen anturin käyttö yksisuuntaisessa tai paluuheijastumista käyttävässä säteen katkeamiseen perustuvassa menetelmässä sopii sovelluksiin, joissa tarvitaan suurta mittausetäisyyttä ja alhaista viiveaikaa. Koska anturit on kuitenkin asennettava ja kohdistettava huolellisesti, järjestelmän asennus vilkkaisiin ympäristöihin voi olla haastavaa. Diffuusiotyyppiset toteutukset soveltuvat paremmin pienten kohteiden tunnistukseen, ja ne voivat olla myös liikkuvia tunnistimia.

Valosähköisiä anturijärjestelmiä voidaan käyttää myös likaisissa ympäristöissä, mitä teollisuusympäristöissä usein esiintyy, ja niiden käyttöikä on yleensä muita vaihtoehtoja pidempi, koska niissä ei ole liikkuvia osia. Antureiden suorituskyky säilyy, kunhan linssi suojataan ja pidetään puhtaana. Vaikka nämä anturit pystyvät tunnistamaan useimmat kohteet, läpinäkyvät ja heijastavat pinnat sekä vesi voivat aiheuttaa ongelmia. Muita rajoituksia ovat tarkka etäisyyden laskenta ja optisesta lähteestä riippuen tietynväristen kohteiden tunnistus, esimerkiksi punaisen käytettäessä infrapunaa.

Laseretäisyysmittarit

Laseretäisyysmittaus (LRF) oli ennen kallis vaihtoehto, mutta siitä on tullut viime aikoina toteuttamiskelpoinen ratkaisu moniin sovelluksiin. Suuritehoiset anturit toimivat samalla periaatteella kuin ultraäänianturit, mutta käyttävät ääniaaltojen sijasta lasersädettä.

Koska fotonien nopeus on erittäin korkea, kulkuajan tarkka laskenta voi olla vaikeaa. Tällöin sellaiset tekniikat kuten interferometria voivat auttaa säilyttämään tarkkuuden ja samalla laskea kustannuksia (kuva 3). Laseretäisyysmittariantureiden toinen etu on se, että sähkömagneettisen säteen käytön ansiosta niiden kantama on yleensä uskomattoman pitkä (jopa satoja tai tuhansia metrejä) ja vasteaika on minimaalinen.

Kaavio: Laseretäisyysmittarin toteutus interferometriaa käyttäenKuva 3: Laseretäisyysmittarin toteutus interferometriaa käyttäen. (Kuvan lähde: CUI Devices)

Näillä antureilla on omat rajoituksensa erittäin alhaisesta viiveajasta ja kantamaominaisuuksista huolimatta. Laserit vaativat paljon virtaa, mikä puolestaan tarkoittaa, että ne eivät sovellu paristokäyttöisiin tai kannettaviin sovelluksiin. Myös silmien terveyteen liittyvät turvallisuuskysymykset on otettava huomioon. On otettava huomioon myös se, että niiden näkökenttä (FoV) on suhteellisen kapea, ja että nämä anturit eivät toimi hyvin veden tai lasin kanssa, kuten eivät valosähköisten anturitkaan.  Vaikka tämäntyyppisen tekniikan hinta onkin laskenut, se on edelleen yksi kalleimmista saatavilla olevista vaihtoehdoista.

Induktiivinen

Induktiivisia antureita on ollut käytössä jo vuosia, mutta niiden käyttö on yleistymässä. Toisin kuin muut läheisyysanturitekniikat, nämä anturit toimivat kuitenkin vain metallisten esineiden kanssa, koska ne käyttävät tunnistukseen magneettikenttää (kuva 4). Tyypillinen sovellus on metallinilmaisin.

Kaavio: Miten induktiivinen anturi toimiiKuva 4: Miten induktiivinen anturi toimii (Kuvan lähde: CUI Devices)

Tunnistusalue voi vaihdella sen mukaan, miten anturi on asennettu. Lyhyen kantaman sovellus voisi olla hammaspyörän kierrosten laskeminen tunnistamalla milloin hammaspyörän hammas on anturin vieressä. Pidempiä sovelluksia voivat olla ajoneuvomäärän laskeminen upottamalla induktiivisia antureita tien pintaan tai jopa sen demonstrointi, miten äärimmäisillä etäisyyksillä anturit voivat toimia avaruusplasman tunnistamisessa. Induktiivisia antureita käytetään läheisyysantureina yleensä hyvin lyhyen kantaman sovelluksissa, ja ne voivat tarjota erittäin nopeita virkistystaajuuksia, koska ne perustuvat sähkömagneettisten kenttien erojen tunnistamisen periaatteeseen. Ne toimivat myös paremmin rautapitoisten materiaalien, kuten raudan ja teräksen, kanssa.

Induktiiviset anturit tarjoavat kustannustehokkaan ratkaisun laajalla käyttöalueella. On kuitenkin otettava huomioon tunnistusta koskevat materiaalikohtaiset rajoitukset sekä anturien alttius monille erilaisille häiriölähteille.

Yhteenveto

Kun otetaan huomioon kaikki läheisyysanturien toteuttamiseen liittyvät haasteet, ultraäänianturit ovat usein paras yleistekniikka (kuva 5). Niiden edullisuus, kyky tunnistaa kohteen läsnäolo ja laskea tarkasti sen etäisyys sekä helppokäyttöisyys ovat ratkaisevia ominaisuuksia.

Taulukko: Neljän läheisyysanturitekniikan vertailutaulukkoKuva 5: Neljän läheisyysanturitekniikan vertailu (Kuvan lähde: CUI Devices)

Katso lisätietoja CUI Devices -yrityksen ultraääniantureista osoitteesta: CUI Devices Ultrasonic Sensors

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Tietoja kirjoittajasta

Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control at CUI Devices

Article provided by Jeff Smoot of CUI Devices.