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Considerazioni di progettazione nella selezione di una tecnologia dei sensori di prossimità

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

Ci sono diverse importanti tecnologie dei sensori di prossimità, ognuna con standard operativi molto diversi e diversi punti di forza nel determinare il rilevamento, la distanza o la prossimità. Questo articolo delinea quattro delle possibili opzioni per sistemi embedded compatti e fissi e i loro principi di funzionamento per aiutare gli ingegneri a determinare quale scegliere a seconda dei loro requisiti di progettazione.

I sensori di prossimità forniscono un metodo accurato per rilevare la presenza e la distanza di un oggetto senza contatto fisico. Il sensore emette un campo elettromagnetico, una luce o un'onda sonora ultrasonica che si riflette o attraversa un oggetto e ritorna al sensore. Un vantaggio significativo dei sensori di prossimità rispetto ai finecorsa convenzionali è che sono più robusti e possono durare più a lungo, poiché non hanno componenti meccanici.

Quando si pensa alla tecnologia del sensore di prossimità ideale per una particolare applicazione vanno considerati fattori quali il costo, la portata, le dimensioni, la frequenza di aggiornamento o la latenza e l'effetto del materiale nel contesto di ciò che è più importante per il progetto.

Ultrasonico

Come suggerisce il nome, i sensori di prossimità a ultrasuoni emettono un impulso sonoro a ultrasuoni, chiamato 'chirp', per rilevare la presenza di un oggetto, e possono anche essere utilizzati per calcolare la distanza dall'oggetto. Sono composti da un trasmettitore e un ricevitore e la loro funzione si basa sui principi dell'ecolocalizzazione (Figura 1).

Schema di funzionamento di un sensore a ultrasuoniFigura 1: Come funziona un sensore a ultrasuoni. (Immagine per gentile concessione di CUI Devices)

Misurando il tempo necessario al chirp per riflettersi su una superficie e tornare indietro, spesso indicato come "tempo di volo" (ToF), il sensore può determinare la distanza dell'oggetto. Di solito, il trasmettitore e il ricevitore sono vicini, ma l'utilizzo dell'ecolocalizzazione funziona ancora quando il trasmettitore e il ricevitore sono separati. In alcuni casi, le funzioni di trasmissione e ricezione sono combinate in un unico prodotto; questi dispositivi sono noti come transceiver o ricetrasmettitori a ultrasuoni.

Usando il suono e non le onde elettromagnetiche le letture del sensore a ultrasuoni non sono influenzate dal colore e dalla trasparenza di un oggetto. Hanno anche l'ulteriore vantaggio di non produrre luce, il che li rende ideali sia per gli ambienti bui sia per quelli molto illuminati. Le onde sonore creano una diffusione nel tempo e sulla distanza, un po' come un'increspatura nell'acqua, e questo ampliamento dell'area di rilevamento, anche detto campo visivo (FoV), può essere considerato un punto di forza o di debolezza, a seconda dell'applicazione. Tuttavia, con un buon livello di precisione, una frequenza di aggiornamento abbastanza alta e il potenziale di trasmettere centinaia di chirp al secondo, i sensori di prossimità a ultrasuoni possono essere una soluzione economica, versatile e sicura.

Uno svantaggio fondamentale dei sensori a ultrasuoni è che la variazione della temperatura dell'aria influenzerà la velocità dell'onda sonora, il che ridurrà la precisione delle misurazioni. Tuttavia, questo fattore può essere controbilanciato misurando la temperatura sulla distanza tra il trasmettitore e il ricevitore e regolando i calcoli di conseguenza. Altre limitazioni includono il fatto che è impossibile utilizzare sensori a ultrasuoni nel vuoto, in assenza dell'aria necessaria per trasmettere il suono. I materiali morbidi inoltre non riflettono il suono in modo così efficiente come le superfici dure, il che può influire sulla precisione. Infine, anche se la tecnologia dei sensori a ultrasuoni segue un concetto simile al sonar, non funziona sott'acqua.

Fotoelettrico

Per rilevare la presenza o l'assenza di un oggetto, i sensori fotoelettrici sono un'opzione pratica. Di solito si basano sugli infrarossi, con applicazioni tipiche tra cui sensori per porte di garage o il conteggio degli occupanti nei negozi, anche se sono adatti a una vasta gamma di altre applicazioni industriali.

Sono molti i modi per implementare i sensori fotoelettrici (Figura 2). Un sensore a sbarramento utilizza un emettitore su un lato di un oggetto con un rilevatore di fronte. Se il raggio si interrompe, significa che è presente un oggetto. Un'implementazione retroriflettente è quella in cui l'emettitore e il rivelatore sono insieme con il riflettore di fronte. Anche il sensore diffuso-riflessivo co-localizza l'emettitore e il rivelatore, ma la luce emessa si riflette su qualsiasi oggetto rilevato. Questa configurazione non permette di misurare la distanza.

Schema dei sensori fotoelettrici: a sbarramento, retroriflettente e diffuso-riflessivoFigura 2: Sensori fotoelettrici: a sbarramento, retroriflettente e diffuso-riflessivo. (Immagine per gentile concessione di CUI Devices)

L'impostazione di un sensore fotoelettrico nella configurazione a sbarramento o retroriflettente li rende adatti ad applicazioni che richiedono un campo di rilevamento esteso con una bassa latenza. Tuttavia, poiché devono essere montati e allineati con cura, l'installazione in alcuni ambienti può essere difficile. Le implementazioni del tipo diffuso-riflessivo sono più adatte al rilevamento di piccoli oggetti e possono anche essere sensori mobili.

Le configurazioni dei sensori fotoelettrici possono essere utilizzate in ambienti sporchi, come quelli tipici industriali, e tipicamente offrono una vita utile più lunga di altre alternative, grazie all'assenza di componenti mobili. Fintantoché la lente è protetta e tenuta pulita, le prestazioni dei sensori non degraderanno. Anche se possono rilevare la maggior parte degli oggetti, le superfici trasparenti e riflettenti e l'acqua possono essere un problema. Altre limitazioni includono il calcolo accurato della distanza e, a seconda della sorgente ottica, il rilevamento di oggetti di un colore specifico, ad esempio il rosso se si usa l'infrarosso.

Telemetri laser

Storicamente un'opzione costosa, la telemetria laser (LRF) è diventata di recente una soluzione più fattibile per molte applicazioni. I sensori ad alta potenza funzionano sulla base dello stesso principio dei sensori a ultrasuoni, ma usano un raggio laser invece delle onde sonore.

Poiché i fotoni viaggiano a una velocità elevata, calcolare il ToF con precisione può essere difficile. Qui, tecniche come l'uso dell'interferometria possono aiutare a mantenere la precisione riducendo i costi (Figura 3). Un altro vantaggio dei sensori a telemetria laser è che, grazie all'utilizzo del fascio elettromagnetico, di solito hanno una portata incredibilmente lunga (fino a centinaia di metri) e il tempo di risposta è minimo.

Schema dell'implementazione di un sensore a telemetria laser mediante l'interferometriaFigura 3: Implementazione di un sensore a telemetria laser tramite interferometria. (Immagine per gentile concessione di CUI Devices)

Nonostante la bassissima latenza e la portata di questi sensori, anch'essi hanno limiti. I laser sono energivori, il che a sua volta significa che non sono un'opzione adatta per applicazioni a batteria o portatili, in più pongono questioni di sicurezza per gli occhi. Un'altra considerazione è che il FoV è relativamente stretto e, come i sensori fotoelettrici, non funzionano bene con l'acqua o il vetro. Nonostante il prezzo di questo tipo di tecnologia si stia abbassando, è anche ancora una delle opzioni più costose disponibili.

Induttivi

I sensori induttivi esistono da molti anni, ma stanno diventando sempre più diffusi. Tuttavia, a differenza delle altre tecnologie di rilevamento di prossimità, funzionano solo con oggetti metallici, poiché utilizzano un campo magnetico per il rilevamento (Figura 4). Un'applicazione tipica è il classico metal detector.

Schema del funzionamento di un sensore induttivoFigura 4: Come funziona un sensore induttivo, (Immagine per gentile concessione di CUI Devices)

Il campo di rilevamento può variare, a seconda di come è impostato il sensore. Un'applicazione a corto raggio potrebbe ad esempio contare le rotazioni degli ingranaggi rilevando quando un dente è vicino al sensore. Applicazioni su raggi più lunghi potrebbero essere contare i veicoli in transito incorporando sensori induttivi nel manto stradale o anche dimostrare la distanza estrema su cui possono operare i sensori: per rilevare il plasma spaziale. Come sensore di prossimità, i sensori induttivi tendono a essere utilizzati per applicazioni a corto raggio e possono fornire frequenze di aggiornamento estremamente elevate, poiché si basano sul principio di rilevamento delle differenze nei campi elettromagnetici. Si comportano meglio anche con i materiali ferrosi, come il ferro e l'acciaio.

I sensori induttivi sono una soluzione economica su un raggio molto ampio. Tuttavia, bisogna considerare le limitazioni dei materiali che possono rilevare oltre al fatto che sono suscettibili a una vasta gamma di fonti di interferenza.

Conclusione

Quando si considerano tutte le sfide di implementazione per il rilevamento di prossimità, i sensori a ultrasuoni sono spesso nel complesso la tecnologia migliore (Figura 5). Il loro basso costo, la capacità di rilevare la presenza di un oggetto, calcolare accuratamente la sua distanza e la facilità d'uso sono gli attributi vincenti.

Tabella di confronto delle quattro tecnologie dei sensori di prossimitàFigura 5: Confronto tra le quattro tecnologie dei sensori di prossimità (Immagine per gentile concessione di CUI Devices)

Per ulteriori informazioni sui sensori a ultrasuoni di CUI Devices, vedere Sensori a ultrasuoni di CUI Devices.

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Informazioni su questo autore

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

Articolo di Jeff Smoot di CUI Devices.