Guia Para Sensores de Distância

Trabalhar em um projeto que interage com objetos ao seu redor geralmente requer que você selecione um sensor de distância ou de detecção de alcance. Por exemplo, você pode usar sensores de distância para detecção de presença humana, robótica ou aplicações industriais. A aplicação e o ambiente no qual o projeto será implantado podem ser um fator significativo orientador na decisão de qual sensor observar, já que alguns terão desempenho superior sobre outras opções em algumas condições.

Tipos de Sensores

Dependendo da sua aplicação, você normalmente escolheria entre três classes principais para sensores de distância:

• Óptico
• Eletromagnético
• Acústico

Sensores Ópticos

Sensores ópticos normalmente funcionam usando uma abordagem de tempo de voo, medindo quanto tempo um laser ou outra fonte de luz leva para atingir o alvo. Alguns sensores ópticos funcionam puramente com base na quantidade de luz refletida de volta. Sensores ópticos têm melhor desempenho em ambientes mais escuros em vez de sob luz solar direta, pois é mais difícil para um sensor capturar a luz que está emitindo contra a luz de fundo. Entre eles, sensores de refletância normalmente funcionam melhor com objetos brancos ou de cores claras, e o alcance detectado pode variar significativamente com a cor do objeto ao qual está direcionado.

Sensores Eletromagnéticos

Indutivo

Há uma grande variedade de métodos de detecção usados em sensores eletromagnéticos. Em aplicações industriais, você comumente encontrará sensores de indutância sendo usados para detecção de proximidade. À medida que um objeto metálico se aproxima, ele desafina a bobina do sensor, o que pode ser usado para medir a proximidade, embora, tipicamente, com um alcance muito limitado.

Capacitivo

Sensores capacitivos são provavelmente o sensor de distância com o qual você mais interage. Toda vez que você interage com a tela sensível ao toque do seu telefone, você está usando um sensor de distância capacitivo. Sensores de toque/proximidade capacitivos são sensores de muito curto alcance que não têm a capacidade de medir distâncias exatas. Você não encontrará um sensor de distância capacitivo pré-fabricado como encontrará com outros tipos de sensores, em vez disso, você encontrará um CI que precisa ser conectado a alguns componentes e a uma placa (trilha de PCB, preenchimento de polígono ou externo) que atuará como o capacitor, dependendo do alcance de detecção que você requer.

Radar

Usar ondas de rádio em sensores baseados em radar pode proporcionar alcances muito longos e medições incrivelmente precisas. Quando se menciona radar, vêm à mente instalações de radar de milhões de dólares para controle de tráfego aéreo ou meteorológico, com enormes arranjos de antenas ou pratos em uma cúpula, mas você pode obter um sensor de radar completo em um pacote de tamanho e preço similares aos outros sensores discutidos neste guia.

Sensores Acústicos

Sensores acústicos, como o sonar, operam quase exclusivamente na faixa de ultrassom. Se operassem em uma faixa audível pelos humanos, eles estariam constantemente zumbindo, nos enlouquecendo ao trabalhar com eles. Os sensores de ultrassom com os quais você provavelmente está mais familiarizado são os auxílios de estacionamento de carros que emitem bips quando o carro acha que você está muito próximo de algo. As principais desvantagens dos sensores ultrassônicos são o desempenho reduzido em condições de vento e a capacidade limitada de usar múltiplos sensores que utilizam a mesma frequência ao mesmo tempo. Além disso, o objeto a ser detectado precisa estar aproximadamente perpendicular ao sensor.

Considerações para Seleção

Ao selecionar um sensor de distância, há alguns critérios que você precisará considerar:

• Alcance necessário
• Ambiente
• Campo de visão
• Caixa/Invólucro
• Protocolo/Interface

Provavelmente, sua principal consideração será o alcance de detecção, tanto mínimo quanto máximo. Algumas aplicações, como o sensor de proximidade que desliga a tela do seu telefone durante as chamadas, podem simplesmente precisar saber que algo está dentro do alcance, enquanto outras podem querer saber uma distância precisa. Você encontrará sensores ópticos que podem medir de cerca de cinco milímetros até cerca de 40 metros, oferecendo a gama mais diversa de possibilidades em qualquer uma das tecnologias possíveis. Sensores capacitivos e indutivos são tipicamente limitados a dezenas de milímetros e sensores ultrassônicos operam de dezenas de milímetros a um par de metros.

Como mencionado anteriormente, alguns sensores têm limitações ambientais além das faixas de temperatura típicas que se aplicam à maioria dos componentes eletrônicos. Principalmente, isso se aplica a sensores ópticos, que podem ser afetados por luz ambiente intensa ou por luz direcionada ao próprio sensor.

A maioria dos sensores tem um alcance de detecção em forma de cone, o que pode não ser um problema para sua aplicação, mas deve ser levado em consideração. Tipicamente, um sensor de maior alcance tem um campo de visão mais estreito. Como a maioria dos padrões de radiação eletromagnética, o alcance máximo é tipicamente diretamente à frente do sensor, com diminuição quanto mais você se aproxima do campo de visão máximo. Se você está procurando detecção de presença em uma área ampla ao redor do seu dispositivo ou dentro de uma área muito estreita, isso pode ser crítico para sua aplicação.

Alcance de Detecção do Parallax Ping))) (a partir da ficha técnica)

Se o sensor que você está construindo precisa estar em uma placa que fica dentro de uma caixa, isso pode influenciar fortemente sua escolha. Sensores ópticos geralmente precisam de uma janela transparente ao infravermelho para "ver" através, o que pode ser bastante limitante para o design da caixa. Sensores de radar, capacitivos e indutivos precisam ser capazes de emitir ondas eletromagnéticas, o que normalmente significa que você não poderá usar metal e terá que recorrer a uma abertura de plástico ou fibra de vidro de algum tipo. Sensores de ultrassom quase sempre precisam estar completamente expostos. Embora alguns tenham capas integradas, provavelmente você não poderá colocar nenhum tipo de invólucro sobre o sensor.

Muitos sensores para medição de distância têm uma saída analógica que é ou ratiométrica ou dentro de uma faixa fixa. Sensores mais modernos utilizam SPI, I2C, ou oferecem uma gama de interfaces. Se você está usando o sensor para simples detecção de um objeto entrando em seu alcance, uma saída analógica pode ser usada com alguns circuitos básicos para gerar uma interrupção para um microcontrolador em modo de espera. Protocolos digitais, por outro lado, permitem uma detecção de distância mais precisa, pois eles realizam a conversão internamente contra uma fórmula para a resposta do dispositivo que é mais precisa ou complexa do que o que você pode ser dado em uma ficha técnica ou usar em um microcontrolador.

Sugestões de Componentes

Óptico

Série VL53 da ST Microelectronics

(até 2 metros) (até 4 metros)

Os sensores de distância por reflexão infravermelha da série Sharp GP2Y0A mantiveram o trono de sensores ópticos de baixo custo por muitos anos, mas a nova peça da ST facilmente o toma. Usei os sensores Sharp em muitos projetos, mas estarei usando a série VL53 para tudo que teria usado os sensores Sharp no passado. Estes são sensores pequenos, eficazes em termos de custo, que funcionam por trás do vidro — como o que você encontraria em um smartphone — e usam medição de fase em vez de reflexão. Como mencionado anteriormente, a reflexão é uma luta real para obter medições precisas, devido ao fato de que um objeto mais escuro terá menos reflexão e, portanto, parecerá estar mais distante do que um objeto branco na mesma distância. Ao usar o tempo de voo em vez disso, esses sensores são capazes de medir precisamente objetos independentemente da cor ou sombra, tornando-os muito mais confiáveis. Como eles ainda só podem funcionar com o laser infravermelho refletido do objeto, luz ambiente brilhante que inclui um componente IR (como a luz solar) pode reduzir o alcance efetivo desses sensores.

Estes são muito populares, como você verá pelo grande número de opções de placas de desenvolvimento nos links acima. Além disso, se você precisar de detecção de muito curto alcance, também há o sensor VL61 que é capaz de ler no máximo 100 milímetros.

Indutivo

Série GX da Panasonic

A série Panasonic GX é uma série de interruptores de proximidade indutivos que oferecem uma gama de distâncias de comutação. Eu prefiro esta série em relação a sensores chineses baratos e outras marcas ocidentais, pois ela oferece a repetibilidade e precisão superiores necessárias para equipamentos industriais. É mais cara do que outras alternativas, mas para as minhas aplicações, a precisão é muito mais importante. Você pode usar um desses em qualquer coisa relacionada a CNC para posicionamento ou limites sem contato, para contar dentes de engrenagem como meio de codificação, ou para nivelamento de cama de impressora 3D.

TI LDC1101

Se você não está procurando por um interruptor sem contato, então o TI LDC1101 permite que você construa o sensor de que precisa. Conecte uma bobina e alguns componentes passivos e você pode rapidamente detectar o tamanho ou a distância de um objeto metálico. Você também pode construir codificadores rotativos de alta contagem que funcionam bem em condições oleosas ou medir micrômetros de deslocamento para um objeto metálico dentro do campo de indutância da sua bobina.

Capacitiva

Se você tem um microcontrolador, pode medir mudanças de capacitância de forma bastante rudimentar com apenas dois pinos, um resistor e uma grande área de cobre.

TI FDC1004Q

Se você está procurando algo mais preciso (muito mais!) do que o método rudimentar, o conversor de capacitância para digital da TI é uma maneira custo-efetiva de construir seu próprio sensor de proximidade capacitivo. Assim como a parte indutiva acima, isso permite que você construa um circuito de acordo com as necessidades, usando uma placa capacitiva em vez de uma bobina. Com um sensor capacitivo, você pode medir mudanças de distância em micrômetros, ou apenas o fato de um humano estar por perto. Sensores capacitivos são ótimos para iluminar uma tela ou interface quando um humano se aproxima dela. O sistema de navegação do meu carro faz um ótimo uso da detecção de proximidade capacitiva, exibindo botões da interface do usuário apenas na parte inferior da tela quando sua mão está próxima, caso contrário, o mapa ocupa toda a tela.

Radar

Acconeer A111

Descobri essa joia há alguns meses, e pelo que parece, ela está em desenvolvimento há muito tempo e eles dedicaram muito trabalho ao desenvolvimento de uma unidade de radar tão pequena. O alcance útil é limitado a cerca de dois metros e uma distância mínima de 60 milímetros, no entanto, ele apresenta precisão absoluta em milímetros com precisão relativa muito inferior a isso. Como usa radar, você pode escondê-lo atrás de uma caixa de plástico ou fibra de vidro sem nenhum sinal externo visível da presença de um sensor. Se você está construindo eletrônicos vestíveis ou dispositivos interativos, essa característica permite um visual limpo. Este sensor é um que estou muito interessado em usar em projetos futuros!

Ultrassônico

Sensores Maxbotix

A gama de sensores ultrassônicos da Maxbotix tem sido o padrão da indústria por muitos anos por boas razões. Eles são fáceis de usar e relativamente precisos, e há uma gama de opções que oferecem muitas distâncias e campos de visão de detecção. Com apenas um transceptor ultrassônico único, eles são mais fáceis de integrar em um produto do que os módulos de transceptor duplo um pouco mais baratos, como as unidades Parallax Ping.

Existem uma grande variedade de sensores de distância adequados para uma ainda maior variedade de aplicações. Cada um deles tem suas vantagens e desvantagens, e espero que este artigo tenha lhe dado uma visão suficiente sobre qual se adequa melhor à sua aplicação. Se você achou este artigo útil, sinta-se à vontade para conferir alguns dos meus outros artigos no blog, que discutem outros aspectos da construção de produtos eletrônicos.

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