Przewodnik po czujnikach odległości

Praca nad projektem, który wchodzi w interakcje z obiektami dookoła, zazwyczaj wymaga od Ciebie wyboru czujnika do pomiaru odległości lub zakresu. Na przykład, możesz użyć czujników odległości do wykrywania obecności człowieka, w robotyce lub aplikacjach przemysłowych. Aplikacja i środowisko, w którym projekt będzie wdrożony, mogą być znaczącym czynnikiem kierującym przy decydowaniu, który czujnik rozważyć, ponieważ niektóre z nich będą miały lepszą wydajność nad innymi opcjami w pewnych warunkach.

Typy czujników

W zależności od Twojej aplikacji, zazwyczaj będziesz wybierać spośród trzech głównych klas czujników odległości:

• Optyczne
• Elektromagnetyczne
• Akustyczne

Czujniki optyczne

Czujniki optyczne zazwyczaj działają na zasadzie pomiaru czasu przelotu, mierząc jak długo laser lub inne źródło światła dociera do celu. Niektóre czujniki optyczne działają wyłącznie na podstawie ilości światła odbitego z powrotem. Czujniki optyczne najlepiej sprawdzają się w ciemniejszych środowiskach niż w bezpośrednim świetle słonecznym, ponieważ trudniej jest czujnikowi uchwycić światło, które emituje na tle światła otoczenia. Wśród nich czujniki odbiciowe zazwyczaj najlepiej działają z białymi lub jasnymi obiektami, a zasięg wykrywania może znacznie różnić się w zależności od koloru obiektu, na który jest skierowany.

Czujniki elektromagnetyczne

Indukcyjne

W czujnikach elektromagnetycznych stosuje się szeroką gamę metod wykrywania. W aplikacjach przemysłowych powszechnie znajdziesz czujniki indukcyjne używane do wykrywania zbliżenia. Gdy metalowy obiekt zbliża się, rozstraja cewkę czujnika, co może być wykorzystane do pomiaru zbliżenia, chociaż zazwyczaj w bardzo ograniczonym zakresie.

Pojemnościowe

Czujniki pojemnościowe to prawdopodobnie czujniki odległości, z którymi masz do czynienia najczęściej. Za każdym razem, gdy wchodzisz w interakcję z ekranem dotykowym swojego telefonu, używasz czujnika odległości pojemnościowego. Czujniki dotykowe/proksymalne pojemnościowe to czujniki o bardzo krótkim zasięgu, które nie mają możliwości pomiaru dokładnych odległości. Nie znajdziesz gotowego czujnika odległości pojemnościowego, jak ma to miejsce w przypadku innych typów czujników, zamiast tego znajdziesz układ scalony, który musisz połączyć z kilkoma komponentami i z płytą (ścieżką PCB, wylewką poligonową lub zewnętrzną), która będzie działać jako kondensator, w zależności od wymaganego zakresu wykrywania.

Radar

Używanie fal radiowych w czujnikach radarowych może zapewnić bardzo długie zasięgi i niezwykle precyzyjne pomiary. Gdy mowa o radarze, na myśl przychodzą milionodolarowe instalacje radarowe do monitorowania pogody, kontroli ruchu lotniczego lub podobne, z ogromnymi antenami lub talerzami w kopule, ale można uzyskać pełnowymiarowy czujnik radarowy w podobnej wielkości i cenie do innych czujników omówionych w tym przewodniku.

Czujniki akustyczne

Czujniki akustyczne, takie jak sonar, działają prawie wyłącznie w zakresie ultradźwięków. Gdyby działały w zakresie słyszalnym dla ludzi, ciągle by bzyczały, doprowadzając nas do szaleństwa podczas pracy z nimi. Najbardziej znanymi czujnikami ultradźwiękowymi są prawdopodobnie systemy wspomagania parkowania samochodu, które zaczynają piszczeć, gdy samochód uważa, że jesteś zbyt blisko czegoś. Głównymi wadami czujników ultradźwiękowych są zmniejszona wydajność w warunkach wietrznych oraz ograniczona możliwość jednoczesnego używania wielu czujników na tej samej częstotliwości. Dodatkowo, obiekt wykrywany musi być mniej więcej prostopadły do czujnika.

Rozważania przy wyborze

Przy wyborze czujnika odległości należy wziąć pod uwagę kilka kryteriów:

• Wymagany zasięg
• Środowisko
• Pole widzenia
• Obudowa
• Protokół/Interfejs

Najprawdopodobniej głównym kryterium będzie zasięg wykrywania, zarówno minimalny, jak i maksymalny. Niektóre aplikacje, takie jak czujnik zbliżeniowy, który wyłącza ekran telefonu podczas rozmów, mogą po prostu potrzebować wiedzieć, że coś znajduje się w zasięgu, podczas gdy inne mogą chcieć znać dokładną odległość. Znajdziesz czujniki optyczne, które mogą mierzyć od około pięciu milimetrów do około 40 metrów, oferując najbardziej zróżnicowany zakres możliwości spośród wszystkich dostępnych technologii. Czujniki pojemnościowe i indukcyjne są zwykle ograniczone do kilkudziesięciu milimetrów, a czujniki ultradźwiękowe działają od kilkudziesięciu milimetrów do kilku metrów.

Jak wspomniano wcześniej, niektóre czujniki mają ograniczenia środowiskowe wykraczające poza typowe zakresy temperatur, które mają zastosowanie do większości komponentów elektronicznych. Dotyczy to głównie czujników optycznych, które mogą być zakłócane przez jasne światło otoczenia lub światło skierowane bezpośrednio na czujnik.

Większość czujników ma stożkowy zakres wykrywania, co może nie być problemem dla twojej aplikacji, ale warto o tym pamiętać. Zazwyczaj czujnik o dłuższym zasięgu ma węższe pole widzenia. Podobnie jak w przypadku większości wzorców promieniowania elektromagnetycznego, maksymalny zasięg jest zwykle bezpośrednio przed czujnikiem, z osłabieniem im bardziej zbliżamy się do maksymalnego pola widzenia. Jeśli szukasz wykrywania obecności w szerokim obszarze wokół urządzenia lub w bardzo wąskim obszarze, może to być kluczowe dla twojej aplikacji.

Zasięg czujnika Parallax Ping))) (z karty katalogowej)

Jeśli czujnik, który budujesz, ma być umieszczony na płytce znajdującej się w obudowie, może to znacząco wpłynąć na Twój wybór. Czujniki optyczne zwykle wymagają przezroczystego dla podczerwieni okna, aby „widzieć” przez nie, co może być dużym ograniczeniem dla projektu obudowy. Czujniki radarowe, pojemnościowe i indukcyjne muszą być w stanie wysyłać fale elektromagnetyczne, co zwykle oznacza, że nie będziesz mógł użyć metalu i będziesz musiał zastosować jakieś plastikowe lub szklane otwory. Czujniki ultradźwiękowe prawie zawsze muszą być całkowicie odsłonięte. Chociaż niektóre mają zintegrowane pokrywy, prawdopodobnie nie będziesz mógł umieścić nad czujnikiem żadnego rodzaju obudowy.

Wiele czujników do pomiaru odległości ma analogowe wyjście, które jest albo ratiometryczne, albo mieści się w ustalonym zakresie. Bardziej nowoczesne czujniki wykorzystują SPI, I2C lub oferują różne interfejsy. Jeśli używasz czujnika do prostej detekcji obiektu wchodzącego w jego zasięg, analogowe wyjście można wykorzystać z prostym układem elektronicznym do generowania przerwania dla śpiącego mikrokontrolera. Z drugiej strony, protokoły cyfrowe pozwalają na dokładniejsze wykrywanie odległości, ponieważ wykonują konwersję wewnętrzną na podstawie formuły odpowiedzi urządzenia, która jest dokładniejsza lub bardziej złożona niż to, co możesz otrzymać w karcie katalogowej lub użyć na mikrokontrolerze.

Sugestie komponentów

Optyczne

Seria VL53 firmy ST Microelectronics

(do 2 metrów) (do 4 metrów)

Seria Sharp GP2Y0A czujników odległości na podczerwień przez wiele lat była liderem wśród niedrogich czujników optycznych, ale nowy komponent firmy ST łatwo go zastępuje. Używałem czujników Sharp w wielu projektach, ale teraz będę używał serii VL53 do wszystkiego, do czego wcześniej używałem czujników Sharp. Są to małe, opłacalne czujniki, które działają za szkłem, takim jak to w smartfonie, i używają pomiaru fazy zamiast odbicia. Jak wspomniano wcześniej, odbicie jest trudne do uzyskania dokładnych pomiarów, ponieważ ciemniejszy obiekt będzie miał mniejsze odbicie i w rezultacie będzie wydawał się dalszy niż biały obiekt w tej samej odległości. Dzięki wykorzystaniu pomiaru czasu przelotu, te czujniki są w stanie dokładnie mierzyć obiekty niezależnie od koloru czy odcienia, co czyni je znacznie bardziej niezawodnymi. Ponieważ nadal mogą funkcjonować tylko na odbitym podczerwonym laserze z obiektu, jasne światło otoczenia zawierające składnik IR (jak światło słoneczne) może zmniejszyć skuteczny zasięg tych czujników.

Są bardzo popularne, jak można zauważyć po dużej liczbie opcji płytek rozszerzeń w powyższych linkach. Ponadto, jeśli potrzebujesz czujnika do bardzo krótkiego zasięgu, jest również czujnik VL61, który jest w stanie odczytać maksymalnie 100 milimetrów.

Indukcyjne

Seria GX firmy Panasonic

Seria Panasonic GX to seria indukcyjnych przełączników zbliżeniowych, która oferuje różne odległości przełączania. Wolę tę serię od tanich chińskich czujników i innych zachodnich marek, ponieważ oferuje lepszą powtarzalność i precyzję, które są potrzebne dla sprzętu przemysłowego. Jest droższa niż inne alternatywy, ale dla moich zastosowań precyzja jest o wiele ważniejsza. Można użyć jednego z tych w czymś związanym z CNC jako bezkontaktowy wyłącznik krańcowy lub do liczenia zębów kół jako sposób kodowania, lub do poziomowania łóżka drukarki 3D.

TI LDC1101

Jeśli nie szukasz przełącznika bezkontaktowego, to TI LDC1101 pozwala zbudować czujnik, którego potrzebujesz. Dołącz cewkę i kilka pasywnych komponentów, a szybko wykryjesz rozmiar lub odległość metalowego obiektu. Możesz również zbudować bardzo dokładne enkodery obrotowe, które dobrze działają w warunkach oleistych lub mierzyć mikrometry przemieszczenia metalowego obiektu w polu indukcyjności twojej cewki.

Pojemnościowe

Jeśli masz mikrokontroler, możesz dość prosto mierzyć zmiany pojemności używając tylko dwóch pinów, rezystora i dużej miedzianej powierzchni.

TI FDC1004Q

Jeśli szukasz czegoś bardziej precyzyjnego (o wiele bardziej!) niż prosta metoda, przetwornik pojemności na cyfrowy od TI jest opłacalnym sposobem na zbudowanie własnego czujnika zbliżeniowego pojemnościowego. Podobnie jak w przypadku części indukcyjnej powyżej, pozwala to zbudować obwód zgodnie z wymaganiami, używając płytki pojemnościowej zamiast cewki. Z czujnikiem pojemnościowym możesz mierzyć zmiany odległości w mikronach, lub po prostu fakt, że człowiek jest w pobliżu. Czujniki pojemnościowe są świetne do oświetlania wyświetlacza lub interfejsu, gdy człowiek sięga w jego kierunku. System nawigacji w moim samochodzie świetnie wykorzystuje pojemnościowe czujniki zbliżeniowe, wyświetlając przyciski interfejsu użytkownika tylko wtedy, gdy twoja ręka jest blisko, w przeciwnym razie mapa zajmuje cały wyświetlacz.

Radar

Acconeer A111

Odkryłem ten klejnot kilka miesięcy temu i jak się okazuje, był rozwijany przez długi czas i włożyli dużo pracy w rozwój tak małej jednostki radarowej. Użyteczny zasięg jest ograniczony do około dwóch metrów i minimalnej odległości 60 milimetrów, jednak oferuje milimetrową dokładność absolutną z dokładnością względną znacznie niższą niż to. Ponieważ używa radaru, możesz ukryć go za obudową z plastiku lub włókna szklanego bez żadnych zewnętrznych oznak obecności czujnika. Jeśli budujesz elektronikę noszoną lub urządzenia interaktywne, ta funkcja pozwala na czysty wygląd. Ten czujnik bardzo chcę wykorzystać w nadchodzących projektach!

Ultrasoniczne

Maxbotix Sensors

Gama czujników ultradźwiękowych Maxbotix jest standardem branżowym od wielu lat z dobrych powodów. Są zarówno łatwe w użyciu, jak i stosunkowo precyzyjne, a ich oferta obejmuje wiele opcji z różnymi odległościami i polami widzenia. Z jednym ultradźwiękowym przetwornikiem są łatwiejsze do zintegrowania z produktem niż nieco tańsze moduły z podwójnym przetwornikiem, takie jak jednostki Parallax Ping.

Istnieje szeroka gama czujników odległości odpowiednich dla jeszcze szerszego zakresu zastosowań. Każdy z nich ma swoje zalety i wady, mam nadzieję, że ten artykuł dostarczył Ci wystarczająco dużo informacji, abyś mógł wybrać ten, który najlepiej pasuje do Twojej aplikacji. Jeśli ten artykuł był dla Ciebie pomocny, zapraszam do zapoznania się z innymi moimi artykułami na blogu, które omawiają inne aspekty budowania produktów elektronicznych.

Mamy nadzieję, że ten artykuł był dla Ciebie przydatny! Jeśli chciałbyś otrzymywać treści takie jak ta prosto do swojej skrzynki odbiorczej, zapisz się na nasz miesięczny newsletter!