근접 센서:다양한 기술 검토

초음파, 광전, 레이저 거리 측정기 및 유도 센서의 4가지 유형의 근접 센서 기술을 비교하는 방법에 대해 알아보십시오.

간단한 물체 감지 또는 물체에 대한 정확한 거리 측정을 제공하기 위해 노터치 방법으로 가장 일반적으로 사용되는 근접 센서 계층에 속하는 많은 기술이 있으며, 각각은 서로 다른 작동 원리, 강점 및 단점을 제공합니다.

그러나 다양한 옵션을 사용할 수 있는 상황에서 엔지니어는 자신의 설계에 가장 적합한 기술을 어떻게 선택합니까?

이 프로세스에서 설계자를 지원하기 위해 이 기사에서는 휴대용 또는 소형 고정 임베디드 시스템에 현실적으로 적합하고 몇 인치에서 수십 피트에 이르는 중간 감지 범위에 적합한 가장 널리 사용되는 근접 센서 기술 4가지에 대해 설명합니다. <울>

초음파

광전

레이저 거리 측정기

유도 센서

정전 용량 및 홀 효과 센서는 매우 가까운 범위의 감지 시나리오에서 일반적으로 제한적으로 사용되기 때문에 여기에서 고려되지 않는 두 가지 인기 있는 근접 센서 기술입니다.

위에서 강조한 4가지 기술 각각에 대해 자세히 알아보기 전에 근접 센서 기술이 모든 응용 프로그램 및 의도된 용도에 대해 만능 솔루션을 제공하지는 않는다는 점에 유의해야 합니다. 근접 센서 기술을 선택할 때 비용, 감지 범위, 패키지 크기, 재생 빈도 및 재료의 영향과 같은 여러 요소를 고려해야 합니다.

각 기술이 이러한 다양한 요인의 스펙트럼에 속하는 위치와 최종 애플리케이션에 가장 중요한 것을 이해하는 것이 올바른 선택을 하는 열쇠가 될 것입니다.

초음파 기술

초음파 센서는 소리의 초음파 펄스를 생성하고 해당 펄스가 물체에서 반사되어 되돌아오는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 그들은 해당 물체까지의 거리를 계산하거나 단순히 물체의 존재를 감지하는 데 사용할 수 있습니다.

초음파 센서 구현은 개별 송신기 및 수신기 모듈을 사용할 수 있습니다. 여기서 송신기는 처프를 방출하고 수신기는 이를 감지합니다. 또는 전송 및 수신 기능을 초음파 트랜시버라고 하는 단일 모듈로 결합할 수 있습니다. 별도의 송신기 및 수신기 모듈이 사용되는 구현에서는 일반적으로 최고의 정확도를 위해 가능한 한 가깝게 배치됩니다.

그림 1. 초음파 기술의 일반적인 구현

단순한 설계로 인해 초음파 센서는 다양한 응용 분야에 적합하도록 하는 여러 가지 장점이 있는 저렴한 옵션입니다. 초당 수백 개의 펄스를 보낼 수 있는 초음파 센서는 높은 재생 빈도로 정확합니다.

초음파 센서는 전자파가 아닌 소리를 기반으로 하기 때문에 물체의 색상과 투명도, 밝거나 어두운 환경에서의 작동은 정확도나 기능에 영향을 미치지 않습니다. 또한 음파가 시간이 지남에 따라 확산됨에 따라 감지 영역이 증가하며 이는 설계 요구 사항에 따라 강점 또는 약점이 될 수 있습니다.

소리는 빛이나 어둠의 영향을 받지 않지만 음속은 기온의 변화에 ​​영향을 받습니다. 이 온도의 급격한 변화는 초음파 센서의 정확도에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 이것은 계산을 업데이트하기 위해 온도를 측정하여 상쇄할 수 있지만 이는 여전히 기술의 한계입니다.

이러한 음파는 소리가 효율적으로 반사되지 않도록 하는 부드럽고 흡수성 있는 재료로 인해 제한될 수도 있습니다. 마지막으로, 초음파 센서는 수중 사용을 위한 것이 아니며 음파에 의존한다는 것은 소리 전달을 위한 매체가 없는 진공에서 작동하지 않는다는 것을 의미합니다. CUI Devices의 블로그인 Basics of Ultrasonic Sensors에서 이 기술에 대해 자세히 설명합니다.

광전 기술

부재 또는 존재 감지에 가장 효과적인 광전 센서는 일반적으로 다른 산업, 주거 및 상업용 응용 프로그램 중에서 차고 문 센서 또는 상점의 점유자 계산에 사용되는 것으로 알려져 있습니다. 움직이는 부품이 없는 광전 센서는 일반적으로 제품 수명 주기가 깁니다. 그들은 대부분의 물질을 감지할 수 있지만 투명한 물체나 물은 문제를 일으킬 수 있습니다.

투과형, 재귀반사형, 확산반사형 등 여러 가지 구현을 제공합니다.

투과형 구현(그림 2)은 위에서 언급한 차고 도어 센서로 인식할 수 있는 것으로 송신기와 수신기가 서로 반대편에 배치되어 있습니다. 이 두 지점 사이의 빔이 끊어지면 센서에 물체가 있음을 나타냅니다.

그림 2. 투과형 구현

역반사(그림 3)는 송신기와 수신기를 서로 옆에 놓고 역반사체가 송신기에서 수신기로 빔을 반사하는 반대쪽에 배치합니다.

그림 3. 재귀반사적 구현

확산 반사(그림 4)는 재귀반사와 유사하게 작동하지만 초음파 센서와 마찬가지로 반사기에서 빔을 반사하는 것이 아니라 근처의 물체에서 빔을 반사합니다. 그러나 이 구현에는 거리를 계산하는 기능이 없습니다.

그림 4. 확산 반사 구현

다양한 구현은 또한 투과형 및 재귀 반사형이 긴 감지 범위와 빠른 응답 시간을 제공하는 반면 확산 반사형은 작은 물체를 잘 감지한다는 장점이 있습니다. 광전 센서는 렌즈에 오염 물질이 없는 한 산업 환경에서 흔히 볼 수 있는 강력한 솔루션이기도 합니다. 즉, 거리 계산은 광전 센서의 사실상 존재하지 않는 기능이며 물체 색상과 반사율이 문제를 일으킬 수 있습니다.

다양한 광전 구현도 신중한 장착 및 정렬이 필요하므로 복잡한 시스템에서 추가적인 문제가 발생할 수 있습니다.

레이저 거리 측정기 기술

음파 대신 전자기 빔을 사용하는 레이저 거리 측정기 센서는 초음파 센서와 유사한 원리로 작동합니다. 이 기술은 최근 몇 년 동안 더 경제적으로 실행 가능하게 되었지만 여전히 초음파 및 기타 기술에 비해 훨씬 더 비싼 옵션입니다.

레이저 거리 측정기 기술은 빠른 응답 시간과 함께 수백 또는 수천 피트 이상의 매우 긴 감지 범위를 가지고 있습니다. 빛의 속도가 음속보다 훨씬 빠르기 때문에 레이저 거리 측정기 센서의 비행 시간 측정은 어려울 수 있습니다. 여기에서 간섭계와 같은 구현을 활용하여 비용을 낮추고 정확도를 높일 수 있습니다.

그림 5. 일반적인 레이저 거리계 간섭계 설정

앞서 언급했듯이 레이저 범위 찾기는 이 기사에서 논의된 단연 가장 비싼 기술이므로 많은 엔지니어의 BOM(Bill of Material)에 적합하지 않습니다. 이 센서 기술에 사용되는 레이저는 또한 많은 전력을 끌어들여 휴대용 애플리케이션에서의 사용을 제한하는 동시에 사용자를 잠재적인 눈 안전 위험에 노출시킵니다.

의도한 응용 분야에 따라 레이저의 상대적으로 집중된 감지 영역과 분산 부족이 장점 또는 제한으로 보일 수 있습니다. 레이저 거리 측정기는 물이나 유리를 다룰 때도 잘 작동하지 않습니다.

유도 기술

비록 오래된 작동 원리를 기반으로 하지만, 유도 센서는 최근에 더 널리 사용되었습니다. 그러나 지금까지 논의된 다른 세 가지 기술과 달리 유도 기술은 금속 물체에만 적합합니다.

유도형 센서는 금속 물체가 감지 범위 내에 들어올 때 자기장의 변화를 감지하여 작동합니다. 이것은 모든 금속 탐지기의 기본 작동 원리입니다.

그림 6. 유도형 센서는 금속 물체를 감지하는 데 사용됩니다.

일반적인 금속 검출기 외에 유도형 센서는 일반적으로 밀리미터에서 미터 범위의 넓은 검출 범위를 가지고 있습니다. 여기에는 기어 회전 계산과 같은 근거리 응용 프로그램이나 도로에서 차량 감지와 같은 장거리 구현이 포함될 수 있습니다.

철 재료(예:철 및 강철)에서 가장 잘 작동하지만 감지 범위가 축소되어도 비자성 물체를 감지할 수 있습니다. 유도형 센서는 또한 매우 빠른 재생 빈도, 간단한 작동 및 감지 범위 측면에서 유연성을 자랑합니다. 그러나 궁극적으로 감지할 수 있는 범위에 제한이 있으며 다양한 소스의 간섭을 받기 쉽습니다.

결론

근접 센서 기술을 선택할 때 고려해야 할 많은 요소가 있습니다. 이 기사에서 논의된 다양한 기술의 이점과 절충점을 이해하면 이 선택 프로세스를 더 쉽게 수행할 수 있습니다.

표 1. 비용, 범위, 크기, 재생 빈도 및 재료의 효과에 따른 적용 근접 센서의 매트릭스 비교

각 기술에 가장 적합한 용도가 있지만 초음파 센서는 저렴한 비용, 존재와 거리를 모두 감지하는 기능, 일반적으로 간단한 구현으로 인해 전반적으로 좋은 선택인 경우가 많습니다. 이것이 초음파 센서가 새로운 용도와 응용 분야를 계속 찾는 동시에 다양한 디자인에서 발견되는 이유입니다.

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