Considerações de projeto ao selecionar uma tecnologia de sensor de proximidade

By Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control at CUI Devices

Existem várias tecnologias líderes em sensores de proximidade; cada uma com padrões operacionais muito diferentes e pontos fortes diferentes quando se trata de determinar a detecção, distância ou proximidade. Este artigo delineia quatro das opções possíveis para sistemas embutidos compactos e fixos e seus princípios básicos de operação para ajudar os engenheiros a determinar qual deles escolher, dependendo de seus requisitos de projeto.

Os sensores de proximidade fornecem um método preciso de detecção de presença e distância de um objeto sem ter nenhum contato físico. O sensor emite um campo eletromagnético, luz ou onda sonora ultrassônica que reflete ou passa através de um objeto e retorna ao sensor. Um benefício significativo que os sensores de proximidade têm em relação às chaves fim de curso convencionais é que eles são mais duráveis e podem durar mais, já que não há peças mecânicas.

Ao revisar a tecnologia ideal de sensor de proximidade para uma determinada aplicação, custo, alcance, tamanho, taxa de atualização ou latência e efeito material devem ser todos considerados e colocados no contexto do que é mais importante para o projeto.

Ultrassônico

Como o nome sugere, os sensores de proximidade ultrassônicos emitem um pulso de som ultrassônico, chamado de 'chirp', para detectar a presença de um objeto, e também podem ser usados para calcular a distância até o objeto. Eles consistem de um transmissor e receptor, e sua função é baseada nos princípios da ecolocalização (Figura 1).

Diagrama de operação do sensor ultrassônicoFigura 1: como funciona um sensor ultrassônico. (Fonte da imagem: CUI Devices)

Ao medir o tempo que leva para que o chirp reflita da superfície e retorne, muitas vezes chamado de "tempo de vôo" (ToF), o sensor pode determinar a distância em que o objeto está. Normalmente, o transmissor e o receptor estão próximos um do outro, mas a utilização da ecolocalização ainda funcionará quando o transmissor e o receptor estiverem separados. Em alguns casos, as funções de transmissão e recepção se combinam em um único pacote; estes dispositivos são conhecidos como transceptores ultrassônicos.

Usando o som, ao invés de ondas eletromagnéticas, as leituras dos sensores ultrassônicos não são afetadas pela cor e transparência de um objeto. Eles também têm o benefício adicional de não produzir luz, o que os torna ideais para ambientes escuros ou mesmo aqueles que são iluminados de forma brilhante. As ondas sonoras criam uma propagação no tempo e na distância, muito parecida com uma ondulação na água, e este alargamento da área de detecção, ou do campo de visão (FoV), pode ser considerado como um ponto forte ou um ponto fraco, dependendo da aplicação. Entretanto, com um bom nível de precisão, uma taxa de atualização bastante alta e o potencial de transmitir centenas de chirps por segundo, os sensores de proximidade ultrassônicos podem fornecer uma solução econômica, versátil e segura.

Uma desvantagem fundamental dos sensores ultrassônicos é que a mudança da temperatura do ar afetará a velocidade da onda sonora, o que reduzirá a precisão das medições. Entretanto, isto pode ser contrabalançado pela medição da temperatura ao longo da distância entre o transmissor e o receptor e o ajuste dos cálculos de acordo. Outras limitações incluem o fato de ser impossível usar sensores ultrassônicos em um vácuo, onde não há ar para transmitir o som. Materiais macios também não refletirão o som tão eficientemente quanto superfícies duras, o que pode impactar a precisão. Finalmente, embora a tecnologia de sensores ultrassônicos siga um conceito semelhante ao do sonar, ela não funciona debaixo d'água.

Fotoelétrico

Para detectar a presença ou ausência de um objeto, os sensores fotoelétricos são uma opção prática. São geralmente baseados em infravermelho, com aplicações típicas incluindo sensores de portão de garagem ou contagem de ocupantes em lojas, embora sejam adequados para uma ampla gama de outras aplicações industriais.

Há várias maneiras de implementar sensores fotoelétricos (Figura 2). O feixe transversal usa um emissor de um lado de um objeto com um detector oposto. Se o feixe se rompe, isto indica que um objeto está presente. Uma implementação retrorrefletiva é onde o emissor e o detector estão localizados juntos, enquanto o refletor é o oposto. Da mesma forma, o arranjo difuso também co-localiza o emissor e o detector, mas, em vez disso, a luz emitida reflete qualquer objeto a ser detectado. Esta configuração não permite medir a distância.

Diagrama de sensores fotoelétricos: por feixe, retrorrefletivos e difusores-refletivosFigura 2: sensores fotoelétricos - feixe transversal, retrorefletivos e difusores-refletivos. (Fonte da imagem: CUI Devices)

A instalação de um sensor fotoelétrico na configuração de feixe transversal ou retrorrefletivo os torna adequados para aplicações que requerem uma faixa de detecção ampliada com baixa latência. Entretanto, como eles precisam ser cuidadosamente montados e alinhados, a instalação do sistema em ambientes movimentados pode ser um desafio. As implementações do tipo difuso são mais adequadas para detectar objetos pequenos e também podem ser detectores móveis.

As configurações de sensores fotoelétricos podem ser usadas em ambientes sujos, muitas vezes encontrados em ambientes industriais, e normalmente oferecem uma vida útil mais longa do que outras alternativas, devido a não possuírem partes móveis. Enquanto a lente for protegida e mantida limpa, então o desempenho dos sensores será mantido. Embora eles possam sentir a maioria dos objetos, podem surgir problemas para superfícies transparentes e refletivas e água. Outras limitações incluem o cálculo preciso da distância e, dependendo da fonte óptica, a detecção de objetos de uma cor específica, por exemplo, vermelho se for utilizado o infravermelho.

Telêmetros a laser

A telemetria a laser (LRF), historicamente uma opção cara, tornou-se recentemente uma solução mais viável para muitas aplicações. Os sensores de alta potência operam com o mesmo princípio dos sensores ultrassônicos, mas usam um feixe de laser em vez de ondas sonoras.

Como os fótons viajam a uma velocidade tão alta, calcular o ToF com precisão pode ser difícil. Aqui, técnicas como a utilização de interferometria podem ajudar a manter a precisão enquanto reduzem os custos (Figura 3). Outro benefício dos sensores de telemetria a laser é que, devido à utilização do feixe eletromagnético, eles geralmente têm um alcance incrivelmente longo (até centenas de metros) e o tempo de resposta é mínimo.

Diagrama de implementação do sensor de telêmetro a laser usando interferometriaFigura 3: Implementação do sensor telêmetro a laser usando interferometria. (Fonte da imagem: CUI Devices)

Apesar da latência ultrabaixa e da capacidade de alcance desses sensores, eles têm suas próprias limitações. Os lasers são insaciáveis por energia, o que por sua vez significa que não são uma opção adequada para aplicações portáteis ou operadas a pilhas, e há questões de segurança a considerar com relação à saúde ocular. Outra consideração é que o FoV também é relativamente estreito, e, assim como os sensores fotoelétricos, eles não funcionam bem com água ou vidro. Apesar do preço deste tipo de tecnologia ter sido reduzido, continua sendo também uma das opções mais caras disponíveis.

Indutivo

Os sensores indutivos existem há muitos anos, mas eles estão se tornando mais comuns. Entretanto, ao contrário das outras tecnologias de sensoriamento de proximidade, eles só trabalharão com objetos metálicos, pois utilizam um campo magnético para detecção (Figura 4). Uma aplicação típica seria um detector de metais.

Diagrama de como funciona um sensor indutivoFigura 4: como funciona um sensor indutivo, (fonte da imagem: CUI Devices)

O alcance de detecção pode variar, dependendo de como o sensor é configurado. Uma aplicação de curto alcance poderia ser a contagem de rotações das engrenagens, detectando quando um dente de engrenagem está presente ao lado do sensor. Aplicações de maior alcance poderiam ser a contagem de veículos através da incorporação de sensores indutivos em uma superfície da estrada ou mesmo para demonstrar a distância extrema que os sensores podem operar - para detectar plasma espacial. Como um sensor de proximidade, os sensores indutivos tendem a ser usados para aplicações de muito curto alcance e podem proporcionar taxas de atualização extremamente rápidas devido ao princípio de detecção de diferenças nos campos eletromagnéticos. Também têm melhor desempenho com materiais ferrosos, como ferro e aço.

Os sensores indutivos oferecem uma solução econômica em uma gama enorme. Entretanto, as limitações dos materiais que eles podem sentir, juntamente com o fato de serem suscetíveis a uma ampla gama de fontes de interferência, devem ser consideradas.

Conclusão

Ao considerar todos os desafios de implementação para a detecção de proximidade, os sensores ultrassônicos são frequentemente a melhor tecnologia em geral (Figura 5). Seu baixo custo, capacidade de detectar a presença de um objeto, calcular com precisão sua distância e facilidade de uso são os atributos vencedores.

Tabela de comparação das quatro tecnologias de sensores de proximidadeFigura 5: comparação das quatro tecnologias de sensores de proximidade (fonte da imagem: CUI Devices)

Para mais informações sobre sensores ultrassônicos da CUI Devices, por favor, visite: Sensores ultrassônicos da CUI Devices

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