Leitfaden zu Abstandssensoren

Bei einem Projekt, das mit Objekten in seiner Umgebung interagiert, müssen Sie in der Regel einen Distanz- oder Entfernungsmesssensor auswählen. Beispielsweise könnten Sie Distanzsensoren für die Erkennung menschlicher Präsenz, in der Robotik oder für industrielle Anwendungen verwenden. Die Anwendung und Umgebung, in der das Projekt eingesetzt wird, kann ein wesentlicher Leitfaktor bei der Entscheidung sein, welchen Sensor man betrachten sollte, da einige unter bestimmten Bedingungen eine überlegene Leistung gegenüber anderen Optionen haben.

Sensortypen

Abhängig von Ihrer Anwendung wählen Sie normalerweise aus drei Hauptklassen für Distanzsensoren:

• Optisch
• Elektromagnetisch
• Akustisch

Optische Sensoren

Optische Sensoren arbeiten typischerweise mit einem Time-of-Flight-Ansatz, indem sie messen, wie lange ein Laser oder eine andere Lichtquelle benötigt, um das Ziel zu treffen. Einige optische Sensoren funktionieren rein auf der Grundlage der Menge an Licht, die zurückreflektiert wird. Optische Sensoren funktionieren am besten in dunkleren Umgebungen und nicht im direkten Sonnenlicht, da es für einen Sensor schwieriger ist, das von ihm ausgesendete Licht gegen das Hintergrundlicht zu erfassen. Unter ihnen arbeiten Reflektanzsensoren typischerweise am besten mit weißen oder hellfarbigen Objekten, und der erfasste Bereich kann je nach Farbe des Objekts, auf das er gerichtet ist, erheblich variieren.

Elektromagnetische Sensoren

Induktiv

Es gibt eine Vielzahl von Sensormethoden, die bei elektromagnetischen Sensoren verwendet werden. In industriellen Anwendungen findet man häufig Induktivsensoren zur Näherungserkennung. Nähert sich ein Metallgegenstand, wird die Spule des Sensors verstimmt, was zur Messung der Nähe verwendet werden kann, obwohl typischerweise nur in einem sehr begrenzten Bereich.

Kapazitiv

Kapazitive Sensoren sind wahrscheinlich die Distanzsensoren, mit denen Sie am meisten interagieren. Jedes Mal, wenn Sie mit dem Touchscreen Ihres Telefons interagieren, verwenden Sie einen kapazitiven Distanzsensor. Kapazitive Touch-/Näherungssensoren sind Sensoren mit sehr kurzer Reichweite, die nicht in der Lage sind, exakte Entfernungen zu messen. Sie werden keinen vorgefertigten kapazitiven Distanzsensor finden, wie es bei anderen Sensortypen der Fall ist, sondern einen IC, den Sie mit einigen Komponenten und einer Platte (PCB-Spur, Polygon-Pour oder extern) verbinden müssen, die als Kondensator fungiert, abhängig vom benötigten Erfassungsbereich.

Radar

Die Verwendung von Radiowellen bei radarbasierten Sensoren kann Ihnen sehr lange Reichweiten und unglaublich präzise Messungen ermöglichen. Wenn von Radar die Rede ist, denkt man an millionenschwere Wetter-, Flugverkehrskontroll- oder ähnliche Radarinstallationen mit riesigen Antennenarrays oder Schüsseln in einer Kuppel, aber Sie können einen vollständigen Radarsensor in einem ähnlich großen und preislich vergleichbaren Paket wie die anderen in diesem Leitfaden besprochenen Sensoren erhalten.

Akustische Sensoren

Akustische Sensoren, wie Sonar, arbeiten fast ausschließlich im Ultraschallbereich. Würden sie in einem Bereich arbeiten, den Menschen hören könnten, würden sie ständig summen und uns verrückt machen, wenn wir mit ihnen arbeiten. Die Ultraschallsensoren, mit denen Sie wahrscheinlich am vertrautesten sind, sind die Einparkhilfen des Autos, die piepen, wenn das Auto denkt, dass Sie zu nah an etwas dran sind. Die Hauptnachteile von Ultraschallsensoren sind die verringerte Leistung bei windigen Bedingungen und die begrenzte Fähigkeit, mehrere Sensoren gleichzeitig zu verwenden, die dieselbe Frequenz nutzen. Zusätzlich muss das erfasste Objekt ungefähr senkrecht zum Sensor stehen.

Auswahlkriterien

Bei der Auswahl eines Entfernungssensors gibt es einige Kriterien, die Sie berücksichtigen müssen:

• Erforderliche Reichweite
• Umgebung
• Sichtfeld
• Gehäuse/Schutzgehäuse
• Protokoll/Schnittstelle

Wahrscheinlich wird Ihre Hauptüberlegung die Erfassungsreichweite sein, sowohl das Minimum als auch das Maximum. Einige Anwendungen, wie der Näherungssensor, der den Bildschirm Ihres Telefons während eines Anrufs ausschaltet, müssen möglicherweise nur wissen, dass etwas in Reichweite ist, während andere eine genaue Entfernung wissen möchten. Sie finden optische Sensoren, die von etwa fünf Millimetern bis zu rund 40 Metern messen können, was die vielfältigsten Möglichkeiten in einer der möglichen Technologien bietet. Kapazitive und induktive Sensoren sind in der Regel auf Zehnermillimeter begrenzt und Ultraschallsensoren arbeiten von Zehnermillimetern bis zu ein paar Metern.

Wie bereits erwähnt, haben einige Sensoren Umweltbeschränkungen über die typischen Temperaturbereiche hinaus, die für die meisten elektronischen Komponenten gelten. Dies gilt hauptsächlich für optische Sensoren, die durch helles Umgebungslicht oder durch direkt auf den Sensor gerichtetes Licht beeinträchtigt werden können.

Die meisten Sensoren haben einen kegelförmigen Erfassungsbereich, was für Ihre Anwendung kein Problem darstellen mag, aber beachtet werden sollte. Typischerweise hat ein Sensor mit längerer Reichweite ein engeres Sichtfeld. Wie bei den meisten Mustern elektromagnetischer Strahlung liegt die maximale Reichweite typischerweise direkt vor dem Sensor, mit einem Abfall, je mehr man sich dem maximalen Sichtfeld nähert. Wenn Sie eine Präsenzerkennung in einem weiten Bereich um Ihr Gerät oder innerhalb eines sehr engen Bereichs suchen, könnte dies für Ihre Anwendung entscheidend sein.

Parallax Ping))) Erfassungsbereich (aus dem Datenblatt)

Wenn der Sensor, den Sie bauen, auf einer Platine innerhalb eines Gehäuses sein muss, könnte dies Ihre Wahl stark beeinflussen. Optische Sensoren benötigen typischerweise ein infrarotdurchlässiges Fenster, um „durchzusehen“, was das Design des Gehäuses stark einschränken könnte. Radar-, kapazitive und induktive Sensoren müssen in der Lage sein, elektromagnetische Wellen auszusenden, was in der Regel bedeutet, dass Sie Metall nicht verwenden können und auf eine Art von Kunststoff- oder Glasfaseröffnung zurückgreifen müssen. Ultraschallsensoren müssen fast immer vollständig freiliegen. Obwohl einige integrierte Abdeckungen haben, werden Sie wahrscheinlich keine Art von Gehäuse über den Sensor setzen können.

Viele Sensoren zur Entfernungsmessung haben einen analogen Ausgang, der entweder ratiometrisch ist oder innerhalb eines festen Bereichs liegt. Modernere Sensoren nutzen SPI, I2C oder bieten eine Reihe von Schnittstellen. Wenn Sie den Sensor zur einfachen Erkennung eines Objekts, das in seinen Bereich eintritt, verwenden, kann ein analoger Ausgang mit einigen grundlegenden Schaltkreisen verwendet werden, um einen Interrupt für einen schlafenden Mikrocontroller zu erzeugen. Digitale Protokolle ermöglichen andererseits eine genauere Entfernungsmessung, da sie die Umwandlung intern gegen eine Formel für die Reaktion des Geräts durchführen, die genauer oder komplexer ist als das, was Sie möglicherweise in einem Datenblatt erhalten oder auf einem Mikrocontroller verwenden.

Komponentenvorschläge

Optisch

ST Microelectronics VL53 Serie

(bis zu 2 Meter) (bis zu 4 Meter)

Die Sharp GP2Y0A Serie von Infrarot-Reflexionsentfernungssensoren hielt viele Jahre lang den Thron für kostengünstige optische Sensoren, aber STs neues Teil stiehlt ihn leicht weg. Ich habe die Sharp-Sensoren in vielen Projekten verwendet, aber ich werde die VL53-Serie für alles verwenden, wofür ich in der Vergangenheit die Sharp-Sensoren verwendet hätte. Diese sind winzig, kosteneffektiv und funktionieren hinter Glas – wie man es in einem Smartphone finden würde – und verwenden Phasenmessung anstatt Reflexion. Wie zuvor erwähnt, ist Reflexion ein echtes Problem, um genaue Messungen zu erhalten, da ein dunkleres Objekt weniger Reflexion hat und daher weiter entfernt erscheint als ein weißes Objekt in derselben Entfernung. Indem sie stattdessen die Flugzeit verwenden, sind diese Sensoren in der Lage, Objekte unabhängig von Farbe oder Schattierung präzise zu messen, was sie wesentlich zuverlässiger macht. Da sie jedoch immer noch nur auf dem reflektierten Infrarotlaser vom Objekt funktionieren können, kann helles Umgebungslicht, das eine IR-Komponente enthält (wie Sonnenlicht), die effektive Reichweite dieser Sensoren verringern.

Diese sind sehr beliebt, wie Sie an der großen Anzahl von Breakout-Board-Optionen in den obigen Links sehen können. Darüber hinaus, wenn Sie eine sehr kurze Reichweite benötigen, gibt es auch den VL61-Sensor, der in der Lage ist, maximal 100 Millimeter zu lesen.

Induktiv

Panasonic GX-Serie

Die Panasonic GX-Serie ist eine Reihe von induktiven Näherungsschaltern, die eine Reihe von Schaltabständen bieten. Ich bevorzuge die Serie gegenüber billigen chinesischen Sensoren und anderen westlichen Marken, da sie die für Industrieanlagen benötigte überlegene Wiederholgenauigkeit und Präzision bietet. Sie ist teurer als andere Alternativen, aber für meine Anwendungen ist Präzision viel wichtiger. Man könnte einen davon in allem verwenden, was mit CNC zu tun hat, für berührungsloses Referenzieren oder als Endschalter, zum Zählen von Zahnrädern als Mittel zur Kodierung oder für das Nivellieren des Betts eines 3D-Druckers.

TI LDC1101

Wenn Sie keinen berührungslosen Schalter suchen, dann ermöglicht Ihnen der TI LDC1101, den Sensor zu bauen, den Sie benötigen. Befestigen Sie eine Spule und einige passive Komponenten und Sie können schnell die Größe oder den Abstand eines Metallgegenstandes erfassen. Sie können auch sehr hochauflösende Drehgeber bauen, die gut in öligen Bedingungen funktionieren oder Mikrometer Reise eines Metallgegenstandes innerhalb des Induktanzfeldes Ihrer Spule messen.

Kapazitiv

Wenn Sie einen Mikrocontroller haben, können Sie Kapazitätsänderungen recht grob mit nur zwei Pins, einem Widerstand und einer großen Kupferfläche messen.

TI FDC1004Q

Wenn Sie etwas präziseres (weit präziser!) als die grobe Methode suchen, ist TIs Kapazität-zu-Digital-Wandler eine kosteneffektive Möglichkeit, Ihren eigenen kapazitiven Näherungssensor zu bauen. Wie bei dem induktiven Teil oben, ermöglicht dies Ihnen, eine Schaltung nach Anforderungen zu bauen, wobei eine kapazitive Platte anstelle einer Spule verwendet wird. Mit einem kapazitiven Sensor können Sie Mikrometerabstandsänderungen messen oder einfach die Tatsache, dass ein Mensch in der Nähe ist. Kapazitive Sensoren eignen sich hervorragend, um ein Display oder eine Schnittstelle zu beleuchten, wenn sich eine Hand darauf zubewegt. Das Satellitennavigationssystem meines Autos macht großen Gebrauch von kapazitiver Näherungserkennung, indem es Benutzeroberflächenknöpfe am unteren Bildschirmrand nur anzeigt, wenn Ihre Hand in der Nähe ist, ansonsten nimmt die Karte den gesamten Bildschirm ein.

Radar

Acconeer A111

Ich habe dieses Juwel vor ein paar Monaten entdeckt, und wie sich herausstellt, wurde es lange Zeit entwickelt und sie haben viel Arbeit in die Entwicklung einer so kleinen Radareinheit gesteckt. Die nutzbare Reichweite ist auf etwa zwei Meter und eine Mindestdistanz von 60 Millimetern begrenzt, jedoch bietet es Millimetergenauigkeit absolut und eine weit niedrigere relative Genauigkeit. Da es Radar verwendet, können Sie es hinter einem Kunststoff- oder Fiberglasgehäuse verstecken, ohne dass äußerlich sichtbare Anzeichen für die Anwesenheit eines Sensors vorhanden sind. Wenn Sie tragbare Elektronik oder interaktive Geräte bauen, ermöglicht diese Funktion ein sauberes Aussehen. Dieser Sensor ist einer, den ich sehr gerne in kommenden Projekten verwenden möchte!

Ultraschall

Maxbotix Sensoren

Die Palette der Ultraschallsensoren von Maxbotix ist seit vielen Jahren aus guten Gründen der Industriestandard. Sie sind sowohl einfach zu verwenden als auch relativ präzise, und es gibt eine Reihe von Optionen, die viele Erfassungsdistanzen und Sichtfelder bieten. Mit nur einem einzigen Ultraschallwandler sind sie einfacher in ein Produkt zu integrieren als die etwas günstigeren Dual-Wandler-Module wie die Parallax Ping-Einheiten.

Es gibt eine breite Vielfalt an Distanzsensoren, die für noch mehr Anwendungen geeignet sind. Jeder von ihnen hat seine Vorteile und Nachteile, und ich hoffe, dieser Artikel hat Ihnen genügend Einblicke gegeben, welcher am besten zu Ihrer Anwendung passt. Wenn Sie diesen Artikel hilfreich fanden, schauen Sie sich gerne einige meiner anderen Artikel im Blog an, die andere Aspekte des Aufbaus von Elektronikprodukten besprechen.

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