Viele Anwendungen der Industrieautomation (KI) erfordern die Fähigkeit, das Vorhandensein und/oder den Ort eines Objekts oder einer Person zu erfassen, ohne physischen Kontakt herzustellen, um eine Begrenzung oder Einschränkung der Bewegung des erfassten Objekts zu vermeiden. Der Näherungssensor ist für diese Funktion ideal. Aber Näherungssensoren sind äußerst vielfältig, einschließlich magnetisierter, kapazitiver, induktiver und optischer, und die Materialzusammensetzung des zu erfassenden Objekts kann die Fähigkeit eines Sensors beeinträchtigen, seine Anwesenheit zu erfassen.
Einige Näherungssensoren sind nützlich, um Eisenmetalle zu erkennen, während andere jede Art von Metall erkennen können und wieder andere jede Art von Objekt und sogar Personen erkennen können. Potenzielle Nutzer von Näherungssensoren in einer KI-Anwendung sollten sich der unterschiedlichen Arten der Näherungssensorik und ihrer Anwendbarkeit auf bestimmte Detektionssituationen bewusst sein.
Dieser Artikel untersucht mehrere Arten von Sensoren und spezifiziert die Objektmodelle, die sie erfassen können, und die räumliche Empfindlichkeit jeder Art von Gerät. Als Beispiele werden Beispielgeräte von Texas Instruments, Red Lion Controls, Littelfuse Inc., Omron Electronics Inc., MaxBotix Inc. und Carlo Gavazzi Inc. verwendet.
Induktive Näherungssensoren
Induktive Näherungssensoren erkennen das Vorhandensein von leitfähigen Objekten (d. h. Metall) und haben einen Erfassungsbereich, der von der Art des erkannten Metalls abhängt. Diese Sensoren arbeiten mit einem hochfrequenten magnetisierten Feld, das von einer Spule in einem Schwingkreis erzeugt wird. In einem leitenden Objekt, das sich dem Magnetfeld nähert, wird ein Induktions- oder Wirbelstrom induziert, der ein entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt, das die Induktivität des induktiven Sensors tatsächlich reduziert.
Induktive Näherungssensoren arbeiten über 2 Methoden. Bei der ersten Betriebsprozedur nimmt der Induktionsstromfluss zu, wenn sich das Objekt dem Sensor nähert, was die Belastung des Schwingkreises erhöht, wodurch seine Schwingung entweder verlangsamt oder gestoppt wird. Der Sensor erfasst diese Änderung des Schwingungszustands mit einer Amplitudenerfassungsschaltung und gibt ein Erfassungssignal aus.
Ein alternatives Betriebsschema verwendet eine Änderung in der Frequenz – eher als in der Amplitude – der Schwingung, die aus dem Vorhandensein eines leitenden Endes resultiert. Ein NE-Metallende, wie Aluminium oder Kupfer, das sich dem Sensor nähert, führt zu einer Erhöhung der Schwingfrequenz, während ein eisenhaltiges Metallende, wie Eisen oder Stahl, zu einer Erhöhung der Schwingfrequenz führt. Das Ändern der Oszillationsfrequenz von einer Referenzfrequenz bewirkt, dass sich der Sensorausgangszustand ändert.
Der LDC0851HDSGT von Texas Instruments ist ein induktiver Näherungssensor mit kurzer Reichweite, der Frequenzstörungen nutzt, um das Vorhandensein eines leitfähigen Objekts in seinem elektromagnetischen Feld zu erkennen (Abbildung 1).
der Induktivitätsunterschied aufgrund eines Objekts in der Nähe der Sensorspule. (Bildquelle: Texas Instruments.)
Der induktive Näherungsschalter LDC0851 ist ideal für berührungslose Näherungssensoranwendungen wie Anwesenheitserkennung, Ereigniszählung und einfache Drucktasten, bei denen der Erfassungsbereich weniger als zehn Millimeter (0.39 Zoll) beträgt. Das Gerät ändert seinen Ausgangszustand in dem Moment, in dem sich ein leitfähiges Objekt in die Nähe der Detektionsspule bewegt. Die differenzielle Implementierung (die Verwendung einer Detektionsspule und einer Referenzspule zur Bestimmung der relativen Induktivität des Systems) und Hysterese werden verwendet, um ein zuverlässiges Schalten zu gewährleisten und auch immun gegen mechanische Vibrationen, Temperaturänderungen oder die Auswirkungen von Feuchtigkeit zu sein.
Die induktiven Aufnehmerspulen des LDC0851HDSGT werden mit einem einzigen Messkondensator abgestimmt, der die Oszillationsfrequenz im Bereich von drei bis neunzehn Megahertz (MHz) einstellt. Der Gegentaktausgang ist niedrig, wenn die Erfassungsinduktivität unter der Referenzinduktivität liegt, und kehrt hoch zurück, wenn das Gegenteil eintritt.
magnetische Näherungssensoren
Magnetische Näherungsschalter, die zur Messung der Position und Geschwindigkeit von sich bewegenden Metallkomponenten verwendet werden, können aktive Geräte sein, wie ein Hall-Effekt-Sensor, oder passive, wie ein Sensor mit variabler Reluktanz (VR), wie der Magnetaufnehmer mit Gewinde MP62TA00 von Red Lion Controls (Abbildung zwei, links). Der VR-Näherungssensor misst Änderungen des magnetisierten Widerstands – der dem elektrischen Widerstand in einem Stromkreis entspricht – und besteht aus einem Permanentmagneten, einem Polstück und einer Sensorspule, die in einem zylindrischen Gehäuse eingeschlossen sind.
Magnetfeld zwischen Polschuh und Sensorgehäuse (rechts dargestellt). (Quellen
des Bildes: Art Pini, mit dem Bild MP62TA00 von Red Lion Controls).
Ein ferromagnetisches Objekt, das sich in der Nähe des Pols bewegt, verursacht eine Störung im magnetisierten Feld. Diese Störung erzeugt wiederum eine Signalspannung in der Signalspule. Die Größe der Signalspannung hängt von der Größe des Zielobjekts, seiner Geschwindigkeit und der Größe des Spalts zwischen dem Polschuh und dem Objekt ab. Das Zielobjekt muss sich bewegen, um vom SRV erkannt zu werden. Der MP62TA00 Magnet-Tonabnehmer mit Gewinde ist ein epoxidgekapselter VR-Näherungssensor mit einem Betriebstemperaturbereich von -107 °C bis +4 °C. Es ist ein Zoll (fünfundzwanzig,XNUMX Millimeter (mm)) lang und hat einen ¼ – vierzig UNS-Gewindekörper.
VR-Sensoren sind passive Geräte, sie benötigen also keine Stromquelle. Aus diesem Grund werden sie eher bei der Messung von rotierenden Maschinen eingesetzt. Beispielsweise werden VR-Sensoren wie der MP62TA00 häufig verwendet, um die Zahnteilung an einem eisenhaltigen Zahnrad, Kettenrad oder Zahnriemenrad zu erkennen. Sie können auch verwendet werden, um Schraubenköpfe, Schlüssel oder andere sich schnell bewegende Metallziele zu erkennen (Abbildung XNUMX).
Bild: Red Lion Controls).
Sie dienen als Tachometer zur Drehzahlmessung und werden auch paarweise zur Messung der Exzentrizität der rotierenden Welle eingesetzt.
Die zweite Art von Magnetsensoren nutzt den Hall-Effekt, um das Vorhandensein eines Magnetfelds zu erkennen. Der Hall-Effekt beschreibt die Wechselwirkung eines stromdurchflossenen Leiters mit einem magnetisierten Feld senkrecht zur Ebene des Leiters. Wenn ein stromdurchflossener Leiter in ein magnetisiertes Feld gebracht wird, entsteht senkrecht zum Strom und zum Feld eine Spannung (Hall-Spannung). Die Hall-Spannung ist proportional zur Flussdichte des magnetisierten Feldes und erfordert ein magnetisiertes Target.
Der 5K-3H-Two-A von Littelfuse Inc. ist ein aufhängbarer Hall-Effekt-Sensor, der entweder mit einem digitalen Ausgang oder einem programmierbaren analogen Spannungsausgang erhältlich ist (Abbildung XNUMX).
Bild: Littelfuse Inc.).
Der Fünfundfünfzigtausendeinhundert-5H-zwei-A misst 3 x 5 x 3 mm und ist entweder mit einem 2-Leiter-Spannungsausgang oder einem 2-Leiter-Stromausgang erhältlich. Jede der 0.709 Versionen bietet mittlere (zehn Gauss), hohe (neunundfünfzig Gauss) oder programmierbare Empfindlichkeit. Das Gerät hat eine hohe Empfindlichkeit und einen Aktivierungsbereich von achtzehn mm (XNUMX Zoll) mit einem speziellen Magneten. Der Pulldown-Ausgang kann bis zu XNUMX Volt Gleichspannung und XNUMX Milliampere (mA)XNUMX aufnehmen
Dieser Sensor kann mit Schaltgeschwindigkeiten von bis zu zehn Kilohertz (kHz) arbeiten und sowohl aktive als auch statische Magnetfelder erfassen. Die Fähigkeit, statische Magnetfelder zu erfassen, ist einer der Hauptvorteile des Hall-Effekt-Sensors, da er verwendet werden kann, um eine geschlossene Tür oder ein Objekt in einer festen Position zu erfassen.
optischer Näherungssensor
Optische Näherungssensoren verwenden Licht – infrarot oder wahrnehmbar – um Objekte zu erkennen. Sie haben den Vorteil, dass das Ziel nicht magnetisch oder metallisch sein muss, sondern nur Licht blockieren oder reflektieren muss. Im Wesentlichen senden die optischen Sensoren Licht aus und kontrollieren das vom Zielobjekt reflektierte Licht (Abbildung XNUMX, links).
Der EE-SY1200 von Omron Electronics Inc. ist ein gutes Beispiel für einen optischen Näherungssensor (Abbildung 2, rechts). Es handelt sich um einen ultrakompakten Fotosensor, der auf einer kleinen Leiterplatte montiert ist und bei einer Infrarotwellenlänge von 0.0748 Nanometern (nm) arbeitet. Es besteht aus einem LED-Sender und zwei Fototransistoren in einem oberflächenmontierbaren Gehäuse mit Abmessungen von 0.126 x 0.043 x 85 mm (0 x 0.039 x 0.157 Zoll), das in einem Temperaturbereich von -XNUMX bis +XNUMX °C arbeitet. Der empfohlene Erfassungsbereich beträgt zehn bis vier,XNUMX mm (XNUMX bis XNUMX Zoll).
und Erfassen der Reflexion darin. (Bildquelle: Art Pini).
Aufgrund seiner geringen Größe für die Plattenmontage eignet es sich ideal für Anwendungen wie das Ausrichten von metallisiertem Mylar-Material auf einem automatischen Stretchwickler.
Ultraschall-Näherungssensoren
Längere Anforderungen an die Reichweite, wie z. B. die Erkennung von Personenkraftwagen an einem Durchfahrtsfenster, können mit ultraschallbasierten Näherungssensoren bewältigt werden. Diese Sensoren erkennen Objekte jeglicher Art in Entfernungen von bis zu mehreren Metern (m). Grundlage der Messung ist die Laufzeit eines vom Sensorsender ausgesendeten Ultraschallimpulses, der vom Zielobjekt reflektiert und vom Sensorempfänger aufgefangen wird (Bild XNUMX).
vom Ultraschallburst des Senders (links) bis zur Ankunftszeit des reflektierten Pulses
(Rechts). Diese Zeit ist doppelt so lang wie die Flugzeit des anfänglichen Bursts vom Sensor.
zum Zielobjekt. (Bildquelle: Art Pini).
Die Zeit vom gesendeten Impuls bis zur empfangenen Reflexion repräsentiert die Laufzeit vom Sensor zum Zielobjekt und zurück. Mit Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Flugzeit kann die Entfernung berechnet werden. Im gezeigten Beispiel beträgt die Flugzeit 1 Millisekunden (ms). Im Fall von Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit bei 96 ° F XNUMX Fuß pro Sekunde, sodass die Gesamtentfernung zum Objekt und zurück XNUMX Fuß beträgt. Die Reichweite vom Sensor zum Objekt beträgt die halbe Flugzeit oder XNUMX Fuß.
Der MB1634-zero von MatBotix Inc. ist ein Ultraschall-Näherungssensor mit einem Messbereich von fünf Metern (5 Fuß). Es benötigt eine Stromversorgung von zwei,5 bis fünf,0.875 Volt. Er läuft mit einer Frequenz von 0.58 kHz und gibt die Entfernung zum Ziel als analoge Spannung, Impulsbreite oder als TTL-Datenstrom (Serial Transistor Logic) aus. Es verfügt über eine Kompensation für Änderungen der Zielgröße, Betriebsspannung und Innentemperatur (optional externe Temperaturkompensation), alles in einem Paket von weniger als einem Kubikzoll: XNUMX x XNUMXy fünf x vierzehn und dreiundsiebzig mm (XNUMX x eintausendvierhundertund achtundneunzig x XNUMX Zoll) (Abbildung sieben).
und Empfang und eine Reichweite von 5 m. (Bildquelle: MaxBotix Inc.).
Kapazitive Näherungssensoren
Kapazitive Näherungssensoren können metallische und nichtmetallische Ziele in Form von Pulver, Granulat, Flüssigkeit und Feststoff erkennen. Ein gutes Beispiel ist CD50CNF06NO von Carlo Gavazzi (Abbildung acht). Die Geräte ähneln im Allgemeinen induktiven Sensoren, außer dass die Sensorspulen des induktiven Sensors durch eine kapazitive Sensorplatine ersetzt werden. Sie werden hauptsächlich verwendet, um Flüssigkeitsstände in Lagertanks zu warnen.
Die Sensorplatine bildet mit dem Zielobjekt einen Kondensator, und die Kapazität ändert sich mit der Entfernung zum Objekt. Die Erfassungskapazität bestimmt die Frequenz des Oszillators, der so gesteuert wird, dass er den Ausgangszustand umschaltet, wenn eine Frequenzschwelle überschritten wird.
Der CD50CNF06N0 ist für die Überwachung von Flüssigkeitsständen vorgesehen. Es handelt sich um einen 3-Draht-Sensor mit einem NPN-Transistor mit offenem Kollektor, der im allgemeinen offenen Modus konfiguriert ist. Es erfordert eine Stromquelle von zehn bis dreißig Volt Gleichstrom. Es wird in einem Gehäuse von fünfzig x dreißig x sieben mm (einhundertsiebenundneunzig x einhundertachtzehn x 0.28 Zoll) geliefert und hat einen Erkennungsbereich von sechs mm (0.24 Zoll). In seiner normalen Anwendung zur Füllstandserfassung wird er an der Außenseite eines nichtmetallischen Tanks verschraubt oder befestigt.
Fazit
Näherungssensoren verwenden mehrere Technologien, die für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind. Je nach Sensortyp können sie metallische und nichtmetallische Ziele mit einem Erfassungsabstand von Millimetern bis zu 5 oder mehr Metern erkennen. Sie sind kompakt genug, um auf engstem Raum zu arbeiten, und viele sind in der Lage, in ziemlich rauen Umgebungen zu arbeiten. Diese Reihe von Technologien bietet dem Benutzer eine enorme Vielfalt an Optionen, um eine Vielzahl von Anforderungen an die Annäherungserkennung zu erfüllen.
