Spis treści:
Czym są czujniki zbliżeniowe?
Łatwo się domyślić, że to do urządzenia do wykrywania obecności obiektów w ich otoczeniu bez konieczności bezpośredniego kontaktu, ale często na tym wiedza się kończy. Jedną z kluczowych cech czujników zbliżeniowych jest ich zdolność do pracy w różnych warunkach, włączając w to wilgoć, kurz czy zmienne warunki atmosferyczne. To dzięki temu są tak szeroko stosowane w przemyśle, w aplikacjach takich jak automatyzacja produkcji, przewodzenie, kontrola dostępu czy systemy bezpieczeństwa. Kiedy przewodzący obiekt zbliża się do czujnika, indukuje to prąd elektryczny w cewce wewnętrznej czujnika. W zależności od konkretnego zastosowania czujniki zbliżeniowe mogą być kalibrowane do reagowania na różne odległości, co sprawia, że są wszechstronne i można je dostosować do wykonywania określonych zadań.
Optyczne czujniki zbliżeniowe
W bliższym – nomen omen – spojrzeniu nie obędzie się bez fizyki, a czujniki zbliżeniowe optyczne to jedna z najpopularniejszych odmian. Działają na zasadzie emisji światła z diody LED i wykrywania odbitego światła za pomocą fotodiody. Ale po kolei. Czujniki zbliżeniowe optyczne wysyłają wiązkę światła w kierunku obiektu. Jeśli obiekt znajduje się w zasięgu czujnika, światło odbija się od niego i wraca z powrotem do czujnika, gdzie jest wykrywane przez fotodiodę. Zmiana w intensywności odbitego światła pozwala czujnikowi określić obecność lub brak obiektu w zasięgu. Wiązka światła jest odbijana od powierzchni obiektu i wraca do czujnika. Czujniki przezroczystości wykrywają obecność obiektu na podstawie zmiany intensywności światła przechodzącego przez obiekt.
Czujniki światłowodowe natomiast wykorzystują światłowody do przesyłania i odbierania światła, co pozwala na umieszczenie detektorów w trudno dostępnych miejscach. Ich zasadnicze zalety to szybkość i precyzja, zwłaszcza w systemach wymagających natychmiastowej reakcji, oraz niewrażliwość na zanieczyszczenia w porównaniu do innych rodzajów czujników. Ograniczenia obejmują mniejszą skuteczność w wykrywaniu obiektów o niskiej lub bardzo wysokiej absorpcji światła oraz podatność na “oślepienie” przez silne źródła światła.
Indukcyjne czujniki zbliżeniowe
Indukcyjne czujniki zbliżeniowe wykorzystują zasadę indukcji elektromagnetycznej do wykrywania obiektów w ich otoczeniu. Zasada ta opiera się na zmianach pola elektromagnetycznego, które są generowane wokół cewki czujnika. Przez cewkę płynie prąd elektryczny i wówczas tworzy się wokół niej pole elektromagnetyczne.
Jeśli przewodzący obiekt zbliża się do czujnika, to zachodzi pierwsza interakcja i pole elektromagnetyczne generowane przez cewkę indukcyjną wpływa na ten obiekt. Indukcja elektromagnetyczna powoduje powstanie wirującego pola magnetycznego wokół obiektu. Gdy obiekt zbliża się do czujnika, zmienia się impedancja pola elektromagnetycznego wokół cewki.
Ta zmiana w impedancji jest rejestrowana przez czujnik. A skoro zmiany w polu elektromagnetycznym są interpretowane przez elektroniczny układ czujnika, to kiedy obiekt znajduje się w zasięgu czujnika, zmiany te są na tyle istotne, że czujnik rejestruje obecność obiektu.
Miewają nietypowe kształty z myślą o m.in. stożkowych czy cylindrycznych polach magnetycznych, i są często stosowane do wykrywania metalowych obiektów, ponieważ metale są doskonałymi przewodnikami elektrycznymi i wywołują znaczne zmiany w polu. Stawia na nie przede wszystkim przemysł, gdzie są używane do kontroli obecności lub braku obiektów na taśmach produkcyjnych, inżynierowie wymagający wykrywania położenia metalowych części i twórcy systemów bezpieczeństwa do wykrywania obecności intruzów lub niepożądanych obiektów.
Laserowe czujniki zbliżeniowe
Wracamy do optyki. Laserowy czujnik zbliżeniowy działa na podobnej zasadzie, co czujniki zbliżeniowe optyczne, ale zamiast zwykłego światła używa wiązki laserowej. Generuje promień laserowy, który jest skierowany w kierunku obiektu, który ma zostać zmierzony. Promień laserowy uderza w powierzchnię obiektu i jest odbijany z powrotem w kierunku czujnika, a czujnik mierzy czas, jaki upływa od chwili wysłania wiązki do chwili jej odbicia od obiektu i powrotu. Na podstawie tego czasu i prędkości światła, która wynosi około 299792458 m/s,, czujnik oblicza odległość do obiektu z naprawdę imponującą precyzją.
Bywa, że czujniki laserowe są zdolne do pomiarów sięgających kilku metrów lub nawet kilku kilometrów w przypadku zaawansowanych urządzeń. Do listy branż z poprzedniego akapitu można tutaj dodać nowoczesne osiągnięcia motoryzacji korzystające z pomiaru odległości od przeszkód w samochodach autonomicznych, pomiary topograficzne, mapowanie terenu i wreszcie robotykę, gdzie precyzyjne pomiary odległości są kluczowe dla nawigacji robotów.
Ultradźwiękowe czujniki zbliżeniowe
Ultradźwiękowe fale to wibracje o częstotliwości powyżej zakresu ludzkiego słuchu (>20 kHz), które mogą przemieszczać się przez powietrze czy płyny. Techniki te, na przykład oparte na efekcie Dopplera, są wykorzystywane do pomiaru przepływu, wykrywania obiektów, przeprowadzania analizy stężenia i pomiaru odległości – oczywiście bez fizycznego kontaktu.
Czujniki ultradźwiękowe są więc wykorzystywane do wykrywania szerokiej gamy materiałów niezależnie od ich kształtu, przezroczystości czy koloru. Czujnik generuje impuls fali ultradźwiękowej, który rozchodzi się przez powietrze z bardzo wysoką częstotliwością i poza zakresem słyszalności ludzkiego ucha. Zmienna względem poprzedniego rodzaju czujników to fala ultradźwiękowa zamiast światła – uderza w obiekt, jest odbijana z powrotem w kierunku czujnika, a czujnik mierzy czas upływający od chwili wysłania impulsu, odbicia od obiektu i powrotu.
Z pomocą przychodzi prędkość rozchodzenia się fali ultradźwiękowej w powietrzu, która jest stała i wynosi około 343 metrów m/s w warunkach normalnych. Znajdziemy je m.in. w samochodach, gdzie pomagają w unikaniu kolizji podczas parkowania poprzez wykrywanie obiektów wokół pojazdu, w pomiarze poziomu cieczy w zbiornikach wody albo paliwa czy w medycznych ultrasonografach.
Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe
Ostatnie, ale nie mniej ważne. Czujnik pojemnościowy składa się z dwóch elektrod: elektrody czujnika i drugiej elektrody uziemiającej. Elektrody tworzą kondensator, a zmiana odległości między nimi wpływa na pojemność tego kondensatora. Kiedy obiekt zbliża się do czujnika, zmienia się pojemność kondensatora. Im bliżej obiektu, tym większa zmiana pojemności. Ta zmiana pojemności jest mierzona i przetwarzana na sygnał elektryczny. Elektronika w czujniku mierzy zmiany pojemności i przekształca je na sygnał wyjściowy, który może być użyty do określenia odległości między czujnikiem a obiektem.
Wybór czujnika zbliżeniowego
Domyślacie się, że nie ma jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, które czujniki są najlepsze, a wybór zależy od konkretnej aplikacji i wymagań. Zebraliśmy jednak kilka scenariuszy.
- Czujniki optyczne – szybkie i precyzyjne wykrywanie zwłaszcza w kontrolach jakości, systemach bezpieczeństwa i automatyce przemysłowej.
- Czujniki indukcyjne – wykrywanie w przemyśle, np. kontrola dostępu, sortowanie, obecność elementów metalowych na taśmach produkcyjnych.
- Czujniki laserowe – bardzo precyzyjne i na duże odległości, nawigacja, pomiary terenowe.
- Czujniki ultradźwiękowe – tam, gdzie przeszkody mogą być na różnych powierzchniach, amatorska i profesjonalna robotyka mobilna.
- Czujniki pojemnościowe – sterowanie ruchem drzwi, monitorowanie obecności obiektów, kontrola dostępu.
