Sensores de proximidade:Revendo as diferentes tecnologias

Saiba como quatro tipos diferentes de tecnologias de sensores de proximidade se comparam:ultrassônico, fotoelétrico, telêmetro a laser e sensores indutivos.

Mais comumente utilizado como um método sem toque para fornecer detecção de objeto simples ou medição de distância precisa para um objeto, agora existem muitas tecnologias que se enquadram na hierarquia de sensor de proximidade, cada uma oferecendo diferentes princípios operacionais, vantagens e desvantagens.

No entanto, com tanta variedade de opções disponíveis, como um engenheiro escolhe a tecnologia mais adequada para seu projeto?

Para ajudar os projetistas neste processo, este artigo discutirá quatro das tecnologias de sensor de proximidade mais populares que se encaixam de forma realista em sistemas embarcados fixos portáteis ou pequenos e são adequadas para faixas moderadas de detecção de alguns centímetros a dezenas de pés:

• Ultrassônico
• Fotoelétrico
• telêmetro a laser
• Sensores indutivos

Sensores capacitivos e de efeito Hall são duas outras tecnologias de sensores de proximidade populares que não serão consideradas aqui devido ao seu uso tipicamente limitado em cenários de detecção de alcance muito próximo.

Antes de mergulhar em cada uma das quatro tecnologias destacadas acima, é importante observar que nenhuma tecnologia de sensor de proximidade oferecerá uma solução única para todas as aplicações e usos pretendidos. Há muitos fatores a serem considerados ao selecionar uma tecnologia de sensor de proximidade, como custo, faixa de detecção, tamanho da embalagem, taxa de atualização e efeito dos materiais.

Entender onde cada tecnologia se encaixa no espectro desses diferentes fatores e quais são os mais cruciais para a aplicação final será a chave para fazer a seleção certa.

Tecnologia ultrassônica

Os sensores ultrassônicos geram pulsos ultrassônicos de som e medem o tempo que leva para o pulso ricochetear em um objeto e retornar. Eles podem ser usados ​​para calcular a distância até o referido objeto ou simplesmente detectar sua presença.

Uma implementação de sensor ultrassônico pode usar módulos individuais de transmissor e receptor - em que o transmissor emite um chirp e o receptor o detecta - ou as funções de transmissão e recepção podem ser combinadas em um único módulo conhecido como transceptor ultrassônico. Em implementações onde são usados ​​módulos transmissores e receptores separados, eles são normalmente posicionados o mais próximos possível para a maior precisão.

Figura 1. Implementação geral da tecnologia ultrassônica

Devido ao seu design simples, os sensores ultrassônicos são uma opção de baixo custo com uma série de vantagens que os tornam adequados para uma ampla gama de aplicações. Capaz de enviar centenas de pulsos por segundo, os sensores ultrassônicos são precisos com uma alta taxa de atualização.

Como os sensores ultrassônicos são baseados em som e não em ondas eletromagnéticas, a cor e a transparência dos objetos, bem como a operação em ambientes claros ou escuros, não têm impacto na precisão ou função. Além disso, conforme as ondas sonoras se espalham ao longo do tempo, sua área de detecção aumenta, o que pode ser um ponto forte ou fraco com base nas necessidades do projeto.

Embora o som não seja afetado pela luz ou escuridão, a velocidade do som é afetada por mudanças na temperatura do ar. Quaisquer mudanças dramáticas nesta temperatura podem afetar muito a precisão dos sensores ultrassônicos. Isso pode ser compensado medindo a temperatura para atualizar quaisquer cálculos, mas ainda é uma limitação da tecnologia.

Essas ondas sonoras também podem ser limitadas por materiais macios ou absorventes que não permitem que o som seja refletido com a mesma eficiência. Por último, os sensores ultrassônicos não se destinam ao uso subaquático e sua dependência das ondas sonoras significa que eles não funcionam no vácuo, onde não há meio de transmissão de som. O blog dos dispositivos CUI, The Basics of Ultrasonic Sensors, cobre essa tecnologia em mais detalhes.

Tecnologia fotoelétrica

Mais eficazes para a detecção de ausência ou presença, os sensores fotoelétricos são comumente reconhecidos por seu uso em sensores de portas de garagem ou contagem de ocupantes em lojas, entre outras aplicações industriais, residenciais e comerciais. Sem peças móveis, os sensores fotoelétricos geralmente têm longos ciclos de vida do produto. Eles são capazes de sentir a maioria dos materiais, mas objetos transparentes ou água podem causar problemas.

Eles oferecem várias implementações diferentes:através do feixe, retrorrefletivo e difuso-refletivo.

A implementação através da viga (Figura 2) é o que se pode reconhecer como o sensor da porta da garagem mencionado acima com um transmissor e receptor colocados opostos um do outro. Qualquer quebra no feixe entre esses dois pontos indica ao sensor a presença de um objeto.

Figura 2. Implementação através da viga

Retrorrefletivo (Figura 3) coloca o transmissor e o receptor próximos um do outro com um retrorrefletor colocado em frente que reflete o feixe do transmissor ao receptor.

Figura 3. Implementação retrorrefletiva

O difuso-reflexivo (Figura 4) opera de forma semelhante ao retrorrefletivo, mas em vez de rebater os feixes de um refletor, ele rebate o feixe de qualquer objeto próximo, bem como os sensores ultrassônicos. No entanto, esta implementação não tem a capacidade de calcular a distância.

Figura 4. Implementação difusa-reflexiva

As diferentes implementações também têm suas vantagens, pois o feixe de passagem e o retrorrefletivo oferecem faixas de detecção longas e tempos de resposta rápidos, enquanto o reflexo difuso é bom para detectar objetos pequenos. Os sensores fotoelétricos também são uma solução robusta comumente encontrada em ambientes industriais, desde que a lente permaneça livre de contaminantes. Com isso dito, o cálculo de distância é uma capacidade virtualmente inexistente de sensores fotoelétricos e a cor do objeto, bem como a refletividade pode causar problemas.

As várias implementações fotoelétricas também requerem montagem e alinhamento cuidadosos, o que pode levar a desafios adicionais em sistemas complexos.

Tecnologia de telêmetro a laser

Utilizando feixes eletromagnéticos em vez de ondas sonoras, os sensores de telêmetro a laser operam em princípios semelhantes aos sensores ultrassônicos. Embora essa tecnologia tenha se tornado mais economicamente viável nos últimos anos, ainda é uma opção muito mais cara em comparação com o ultrassom e outras tecnologias.

A tecnologia de telêmetro a laser tem um alcance de detecção extremamente longo, acima de centenas ou milhares de pés, junto com tempos de resposta rápidos. Devido à velocidade da luz ser muito mais rápida do que a velocidade do som, as medições do tempo de vôo podem ser um desafio para os sensores de telêmetro a laser. É aqui que implementações como a interferometria podem ser utilizadas para reduzir custos e melhorar a precisão.

Figura 5. Configuração típica de interferometria de telêmetro a laser

Como mencionado anteriormente, a descoberta do alcance do laser é de longe a tecnologia mais cara discutida neste artigo, tornando-a menos viável para a lista de materiais de muitos engenheiros. Os lasers usados ​​nesta tecnologia de sensor também consomem muita energia, limitando seu uso em aplicações portáteis, ao mesmo tempo que expõe os usuários a potenciais riscos à segurança dos olhos.

Dependendo da aplicação pretendida, a área de detecção relativamente focada de um laser e a falta de dispersão podem ser vistas como uma vantagem ou limitação. Telêmetros a laser também não funcionam bem ao lidar com água ou vidro.

Tecnologia Indutiva

Embora baseados em um princípio de operação mais antigo, os sensores indutivos ganharam recentemente um uso mais difundido. Ao contrário das outras três tecnologias discutidas até agora, no entanto, a tecnologia indutiva só é adequada para objetos metálicos.

Os sensores indutivos operam detectando mudanças em seu campo magnético à medida que objetos metálicos entram em seu alcance de detecção. Este é o princípio operacional básico de qualquer detector de metal.

Figura 6. Sensores indutivos são usados ​​para detectar objetos de metal

Fora do detector de metal comum, os sensores indutivos têm uma ampla faixa de detecção, normalmente na faixa de milímetros a metros. Isso pode incluir aplicações de curto alcance, como contagem de rotações de marcha ou implementações de longo alcance, como detecção de veículos em estradas.

Eles têm melhor desempenho com materiais ferrosos (ou seja, ferro e aço), mas ainda podem detectar objetos não magnéticos com um alcance de detecção reduzido. Os sensores indutivos também apresentam taxas de atualização extremamente rápidas, operação simples e flexibilidade em termos de alcance de detecção. No entanto, em última análise, eles são limitados pelo que podem sentir e estão sujeitos à interferência de uma variedade de fontes.

Conclusão

Existem muitos fatores a serem considerados quando se trata de selecionar uma tecnologia de sensor de proximidade. Compreender os benefícios e as compensações das diferentes tecnologias discutidas neste artigo pode facilitar esse processo de seleção.

Tabela 1. Comparação da matriz dos sensores de proximidade cobertos por custo, alcance, tamanho, taxa de atualização e efeito do material.

Embora cada tecnologia tenha seus usos mais apropriados, os sensores ultrassônicos costumam ser uma boa escolha geral devido ao seu baixo custo, capacidade de detectar presença e distância e, normalmente, implementação direta. É por isso que os sensores ultrassônicos são encontrados em uma ampla gama de designs, enquanto continuam a encontrar novos usos e aplicações.

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