Guida ai sensori di distanza

Lavorare a un progetto che interagisce con gli oggetti circostanti richiede solitamente di selezionare un sensore di distanza o di rilevamento della gamma. Ad esempio, potresti utilizzare sensori di distanza per la rilevazione della presenza umana, la robotica o applicazioni industriali. L'applicazione e l'ambiente in cui il progetto sarà dispiegato possono essere un fattore guida significativo nella decisione di quale sensore esaminare, poiché alcuni avranno prestazioni superiori rispetto ad altre opzioni in alcune condizioni.

Tipi di Sensori

A seconda della tua applicazione, di solito sceglierai tra tre classi principali per i sensori di distanza:

• Ottici
• Elettromagnetici
• Acustici

Sensori Ottici

I sensori ottici funzionano tipicamente utilizzando un approccio di tempo di volo, misurando quanto tempo impiega un laser o un'altra fonte di luce per colpire l'obiettivo. Alcuni sensori ottici funzionano puramente sulla quantità di luce riflessa indietro. I sensori ottici si comportano meglio in ambienti più bui piuttosto che alla luce diretta del sole, poiché è più difficile per un sensore catturare la luce che emette contro la luce di sfondo. Tra questi, i sensori di riflettanza funzionano tipicamente meglio con oggetti bianchi o di colore chiaro, e la gamma rilevata può variare significativamente con il colore dell'oggetto a cui è diretto.

Sensori Elettromagnetici

Induttivi

Ci sono una vasta varietà di metodi di rilevamento utilizzati nei sensori elettromagnetici. Nelle applicazioni industriali, troverai comunemente sensori di induttanza utilizzati per il rilevamento della prossimità. Man mano che un oggetto metallico si avvicina, questo disaccorda la bobina del sensore, che può essere utilizzata per misurare la prossimità, sebbene tipicamente con un raggio molto limitato.

Capacitivi

I sensori capacitivi sono probabilmente il sensore di distanza con cui interagisci di più. Ogni volta che interagisci con lo schermo touch del tuo telefono, stai utilizzando un sensore di distanza capacitivo. I sensori capacitivi di tocco/prossimità sono sensori a cortissimo raggio che non hanno la capacità di misurare distanze esatte. Non troverai un sensore di distanza capacitivo preassemblato come con altri tipi di sensori, invece troverai un IC che devi collegare a un paio di componenti e a una piastra (traccia PCB, riempimento di poligono o esterna) che fungerà da condensatore, a seconda del raggio di rilevamento che richiedi.

Radar

L'uso delle onde radio nei sensori basati sul radar può offrire portate molto lunghe e misurazioni incredibilmente precise. Quando si parla di radar, vengono in mente installazioni radar da milioni di dollari per il controllo del traffico aereo o simili, con enormi array di antenne o piatti in una cupola, ma è possibile ottenere un sensore radar completo in un pacchetto di dimensioni e prezzo simili agli altri sensori discussi in questa guida.

Sensori Acustici

I sensori acustici, come il sonar, operano quasi esclusivamente nella gamma degli ultrasuoni. Se operassero in una gamma udibile dagli esseri umani, emetterebbero costantemente un ronzio, rendendoci pazzi quando lavoriamo con essi. I sensori ad ultrasuoni che probabilmente conoscete meglio sono gli aiuti al parcheggio delle auto che emettono un segnale acustico quando la macchina pensa che siate troppo vicini a qualcosa. I principali svantaggi dei sensori ad ultrasuoni sono la ridotta prestazione in condizioni di vento e la limitata capacità di utilizzare più sensori che operano sulla stessa frequenza contemporaneamente. Inoltre, l'oggetto rilevato deve essere approssimativamente perpendicolare al sensore.

Criteri di Selezione

Quando si seleziona un sensore di distanza, ci sono alcuni criteri che dovrai considerare:

• Portata richiesta
• Ambiente
• Campo visivo
• Alloggiamento/Involucro
• Protocollo/Interfaccia

Probabilmente, la tua considerazione principale sarà la portata di rilevamento, sia minima che massima. Alcune applicazioni, come il sensore di prossimità che spegne lo schermo del tuo telefono durante le chiamate, potrebbero semplicemente dover sapere che qualcosa si trova nel raggio d'azione, mentre altre potrebbero voler conoscere una distanza precisa. Troverai sensori ottici che possono misurare da circa cinque millimetri fino a circa 40 metri, offrendo la gamma di possibilità più diversificata tra tutte le tecnologie possibili. I sensori capacitivi e induttivi sono tipicamente limitati a decine di millimetri e i sensori ad ultrasuoni operano da decine di millimetri a un paio di metri.

Come accennato in precedenza, alcuni sensori hanno limitazioni ambientali oltre ai tipici intervalli di temperatura che si applicano alla maggior parte dei componenti elettronici. Principalmente, ciò si applica ai sensori ottici, che possono essere influenzati dalla luce ambientale intensa o dalla luce diretta sul sensore stesso.

La maggior parte dei sensori ha un campo di rilevamento a forma di cono, il che potrebbe non essere un problema per la tua applicazione, ma dovrebbe essere tenuto in considerazione. Tipicamente, un sensore a lungo raggio ha un campo visivo più stretto. Come per la maggior parte dei modelli di radiazione elettromagnetica, la portata massima si trova tipicamente direttamente di fronte al sensore, con una diminuzione man mano che ci si avvicina al massimo campo visivo. Se stai cercando un rilevamento di presenza in un'ampia area intorno al tuo dispositivo o all'interno di un'area molto ristretta, questo potrebbe essere critico per la tua applicazione.

Gamma di rilevamento del Parallax Ping))) (dal datasheet)

Se il sensore che stai costruendo deve essere montato su una scheda all'interno di un involucro, ciò potrebbe influenzare fortemente la tua scelta. I sensori ottici richiederanno tipicamente una finestra trasparente agli infrarossi per "vedere" attraverso, il che potrebbe limitare notevolmente il design dell'involucro. I sensori radar, capacitivi e induttivi devono essere in grado di emettere onde elettromagnetiche, il che significa tipicamente che non potrai usare metallo e dovrai ricorrere a un'apertura in plastica o fibra di vetro di qualche tipo. I sensori ad ultrasuoni devono quasi sempre essere completamente esposti. Anche se alcuni hanno coperture integrate, probabilmente non sarai in grado di posizionare alcun tipo di alloggiamento sopra il sensore.

Molti sensori per la misurazione della distanza hanno un'uscita analogica che è o ratiometrica o entro un intervallo fisso. I sensori più moderni utilizzano SPI, I2C, o offrono una gamma di interfacce. Se stai usando il sensore per la semplice rilevazione di un oggetto che entra nel suo raggio, un'uscita analogica può essere utilizzata con alcuni circuiti di base per generare un'interruzione per un microcontrollore in standby. I protocolli digitali, d'altra parte, consentono una rilevazione della distanza più accurata, poiché eseguiranno la conversione internamente contro una formula per la risposta del dispositivo che è più accurata o complessa di quanto potresti essere dato in un datasheet o usare su un microcontrollore.

Suggerimenti sui Componenti

Ottici

ST Microelectronics serie VL53

(fino a 2 metri) (fino a 4 metri)

I sensori di distanza a riflettanza infrarossa della serie Sharp GP2Y0A hanno detenuto il trono dei sensori ottici a basso costo per molti anni, ma il nuovo componente di ST lo sottrae facilmente. Ho usato i sensori Sharp in molti progetti, ma userò la serie VL53 per tutto ciò che avrei usato i sensori Sharp in passato. Questi sono sensori piccoli ed economici che funzionano dietro il vetro, come quello che si trova in uno smartphone, e utilizzano la misurazione di fase piuttosto che la riflettanza. Come accennato in precedenza, la riflettanza è difficile da utilizzare per ottenere misurazioni accurate, a causa del fatto che un oggetto più scuro avrà meno riflettanza e quindi sembrerà più lontano rispetto a un oggetto bianco alla stessa distanza. Utilizzando invece il tempo di volo, questi sensori sono in grado di misurare con precisione gli oggetti indipendentemente dal colore o dall'ombra rendendoli molto più affidabili. Poiché possono comunque funzionare solo sul laser infrarosso riflesso dall'oggetto, la luce ambientale intensa che include una componente IR (come la luce solare) può ridurre il raggio d'azione effettivo di questi sensori.

Questi sono molto popolari, come vedrai dal grande numero di opzioni di breakout board nei link sopra. Inoltre, se hai bisogno di rilevamento a corto raggio, c'è anche il sensore VL61 che è in grado di leggere un massimo di 100 millimetri.

Induttivi

Serie Panasonic GX

La serie Panasonic GX è una serie di interruttori di prossimità induttivi che offrono una gamma di distanze di commutazione. Preferisco questa serie rispetto ai sensori cinesi economici e ad altre marche occidentali poiché offre la superiorità in termini di ripetibilità e precisione necessarie per le apparecchiature industriali. È più costosa rispetto ad altre alternative, ma per le mie applicazioni, la precisione è molto più importante. Potresti utilizzare uno di questi in qualsiasi cosa relativa al CNC per l'azzeramento o gli interruttori di limite senza contatto, per contare i denti degli ingranaggi come mezzo di codifica, o per il livellamento del letto di una stampante 3D.

TI LDC1101

Se non stai cercando un interruttore senza contatto, allora il TI LDC1101 ti permette di costruire il sensore di cui hai bisogno. Collega una bobina e alcuni componenti passivi e puoi rapidamente rilevare la dimensione o la distanza di un oggetto metallico. Puoi anche costruire encoder rotativi ad alta risoluzione che funzionano bene in condizioni oleose o misurare micrometri di spostamento per un oggetto metallico all'interno del campo di induttanza della tua bobina.

Capacitivi

Se hai un microcontrollore, puoi misurare cambiamenti di capacità in modo piuttosto grezzo con solo due pin, una resistenza e una grande area di rame.

TI FDC1004Q

Se stai cercando qualcosa di più preciso (molto di più!) rispetto al metodo grezzo, il convertitore da capacità a digitale di TI è un modo economico per costruire il tuo sensore di prossimità capacitivo. Come per la parte induttiva sopra, ciò ti permette di costruire un circuito secondo le esigenze, utilizzando una piastra capacitiva piuttosto che una bobina. Con un sensore capacitivo, puoi misurare cambiamenti di distanza in micron, o semplicemente il fatto che un essere umano sia nelle vicinanze. I sensori capacitivi sono ottimi per illuminare un display o un'interfaccia quando un essere umano si avvicina. Il sistema di navigazione satellitare della mia auto fa un grande uso della rilevazione di prossimità capacitiva mostrando i pulsanti dell'interfaccia utente solo quando la tua mano si avvicina, altrimenti, la mappa occupa l'intero display.

Radar

Acconeer A111

Ho scoperto questa gemma alcuni mesi fa, e come si è scoperto, è in sviluppo da molto tempo e hanno dedicato molto lavoro allo sviluppo di una unità radar così piccola. La gamma di utilizzo è limitata a circa due metri e una distanza minima di 60 millimetri, tuttavia, offre un'accuratezza assoluta al millimetro con un'accuratezza relativa molto inferiore. Poiché utilizza il radar, puoi nasconderlo dietro un involucro di plastica o fibra di vetro senza segni esternamente visibili della presenza di un sensore. Se stai costruendo elettronica indossabile o dispositivi interattivi, questa caratteristica consente un aspetto pulito. Questo sensore è uno di quelli che sono molto desideroso di utilizzare nei progetti futuri!

Ultrasonici

Maxbotix Sensors

La gamma di sensori ultrasonici di Maxbotix è stata lo standard industriale per molti anni per buone ragioni. Sono sia facili da usare che relativamente precisi, e c'è una gamma di opzioni che offrono molte distanze di rilevamento e campi visivi. Con un singolo trasduttore ultrasonico, sono più facili da integrare in un prodotto rispetto ai moduli con doppio trasduttore leggermente più economici come le unità Parallax Ping.

Ci sono una vasta gamma di sensori di distanza adatti per un'ampia varietà di applicazioni. Ognuno di essi ha i suoi vantaggi e svantaggi, e spero che questo articolo ti abbia fornito abbastanza informazioni per capire quale si adatta meglio alla tua applicazione. Se hai trovato questo articolo utile, sentiti libero di consultare alcuni dei miei altri articoli sul blog, che discutono altri aspetti della costruzione di prodotti elettronici.

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