Was ist ein Näherungssensor?
Ⅰ Was ist ein Näherungssensor?
Der Näherungssensor bezieht sich auf eine Reihe von Sensoren, die zur Erkennung der Entfernung eines Objekts verwendet werden. Ihnen ist gemeinsam, dass sie das Objekt während des Erkennungsprozesses nicht berühren.
Es gibt viele Arten von Näherungssensoren . Die üblicherweise verwendeten Näherungssensoren haben das gleiche Prinzip. Sie senden elektromagnetische Felder oder Lichtstrahlen aus und analysieren die reflektierten Veränderungen, um festzustellen, ob sich Objekte nähern oder auftauchen, weggehen oder verschwinden.
Die größte erkennbare Entfernung wird als „Nennreichweite“ bezeichnet. Einige Sensoren können den Nennbereich an unterschiedliche Zwecke anpassen. Bei einer Verstellung der Nennreichweite innerhalb einer sehr kurzen Distanz wird der Näherungssensor häufig als Berührungsschalter eingesetzt. Näherungssensoren zeichnen sich im Allgemeinen durch eine hohe Zuverlässigkeit und lange Funktionslebensdauer aus. Dies liegt daran, dass zwischen dem Sensor und dem erfassten Objekt kein physischer Kontakt besteht und die Beschädigung mechanischer Teile nahezu Null ist.
Zu den verschiedenen Arten von Näherungssensoren gehören induktive Näherungssensoren, kapazitive Näherungssensoren, Ultraschall-Näherungssensoren, fotoelektrische Sensoren und Hall-Effekt-Sensoren. Zur Erkennung unterschiedlicher Objektarten eignen sich unterschiedliche Näherungssensoren. Beispielsweise eignen sich kapazitive Sensoren zur Erkennung von Kunststoffobjekten, während für metallische Ziele induktive Näherungssensoren zum Einsatz kommen.
Ⅱ Wie funktioniert ein Näherungssensor?
Der Näherungssensor sendet ein elektromagnetisches oder elektrostatisches Feld oder einen elektromagnetischen Strahlungsstrahl (z. B. Infrarot) aus und wartet auf ein Rücksignal oder eine Änderung des Feldes. Das erfasste Objekt wird als Ziel des Näherungssensors bezeichnet.
2.1 Induktiver Näherungssensor
Sie verfügen über einen Oszillator als Eingang und verändern den Verlustwiderstand durch Annäherung an ein leitfähiges Medium. Diese Sensoren sind die bevorzugten Metallziele.
2.2 Kapazitiver Näherungssensor
Sie wandeln die Änderung der elektrostatischen Kapazität auf beiden Seiten der Detektionselektrode und der Erdungselektrode um. Dies geschieht durch Annäherung an Objekte in der Nähe mit Änderungen der Schwingungsfrequenz. Um nahegelegene Ziele zu erkennen, wird die Schwingfrequenz in eine Gleichspannung umgewandelt und mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen. Für Kunststoffziele sind diese Sensoren die erste Wahl.
Ⅲ Arten von Näherungssensoren
Im Folgenden sind verschiedene gängige Näherungssensoren aufgeführt:
3.1 Induktiver Näherungssensor
Berührungslose induktive Näherungssensoren werden ausschließlich zur Erkennung metallischer Objekte eingesetzt. Es funktioniert nach dem Prinzip der Induktion: Ein Oszillator treibt eine Spule an, bis ein metallischer Gegenstand in sie eindringt.
Induktive Sensoren erfreuen sich in den letzten Jahren immer größerer Beliebtheit, obwohl sie auf einem alten Design basieren. Induktive Sensoren arbeiten im Gegensatz zu den anderen Technologien auf dieser Liste nur mit metallischen Materialien. Ein induktiver Sensor erzeugt ein Magnetfeld und erkennt dann Änderungen im Magnetfeld, wenn ein metallischer Gegenstand durch ihn hindurchgeht, ähnlich wie ein Magnet, der sich in einer Drahtspule dreht, Strom erzeugt. Damit beginnt jeder Metalldetektor.
Ihr Erfassungsbereich kann je nach Konfiguration extrem eingeschränkt sein, insbesondere bei Anwendungen, bei denen die Umdrehungen eines Zahnrads gezählt werden, indem erkannt wird, ob sich ein Zahnradzahn neben dem Sensor befindet oder nicht. Induktive Sensoren können in Straßen montiert werden, um darüber fahrende Fahrzeuge zu erkennen, oder für die Erkennung von Weltraumplasma für größere Reichweiten optimiert werden.
Induktive Sensoren arbeiten jedoch tendenziell im Millimeter- bis Meterbereich und funktionieren gleichzeitig als elektronische Näherungssensoren. Sie funktionieren am besten bei eisenhaltigen Materialien wie Eisen und Stahl und haben aufgrund ihres Funktionsprinzips einen kleineren Erkennungsbereich für nichtmagnetische metallische Materialien. Sie verfügen über extrem schnelle Bildwiederholraten, da sie von der Variation elektromagnetischer Felder abhängig sind
3.2 Kapazitiver Näherungssensor
Berührungslose kapazitive Näherungssensoren erfassen sowohl metallische als auch nichtmetallische Substanzen wie Flüssigkeiten, Pulver und Granulat. Es funktioniert durch die Erkennung eines Kapazitätsübergangs.
Es verfügt über einen Oszillator, einen Schmitt-Hebel und einen Ausgangsschaltkreis, ähnlich wie induktive Sensoren. Der einzige Unterschied besteht darin, dass es zwei Ladeplatten für die Kapazität hat (1 intern, 1 extern):
Der Oszillator ist an einer Innenplatte befestigt.
Die Sensoroberfläche ist eine externe Platte (Sensorelektroden).
Wenn sich das erfasste Objekt dem Sensor nähert, ändert das Objekt die Dielektrizitätskonstante im kapazitiven Sensor, und der Sensor kann die Entfernung des Objekts ermitteln, indem er diese Dielektrizitätskonstante misst.
Allerdings ist die Reaktionsgeschwindigkeit kapazitiver Sensoren im Allgemeinen relativ langsam, mit einer Aktualisierungsfrequenz von nur 10 bis 50 Hz. Da kapazitive Sensoren jedoch nicht durch Staub oder undurchsichtige Behälter beeinträchtigt werden, werden sie häufig anstelle optischer Sensoren eingesetzt. Der ungefähre Nennbereich eines typischen kapazitiven Sensors beträgt 10 mm und kann Dickenänderungen innerhalb von 0,01 mm erkennen.
3.3 Ultraschall-Näherungssensor
Ultraschall-Näherungssensoren erfassen mithilfe von Ultraschallimpulsen die Anwesenheit eines Objekts oder mit zusätzlicher Verarbeitung die Entfernung zum Objekt. Sie arbeiten mit einem Sender und einem Empfänger sowie Echoortungsprinzipien.
Ein Ultraschallsensor kann die Entfernung zu einem Objekt bestimmen, indem er ein Zwitschern aussendet und die Zeit misst, die das Zwitschern benötigt, um von einer Oberfläche abzuprallen und zurückzukehren. Während Sender und Empfänger üblicherweise so konfiguriert werden, dass sie einander möglichst ähnlich sind, gelten die Konzepte auch dann, wenn sie isoliert sind. Es sind auch Ultraschall-Transceiver erhältlich, die die Sende- und Empfangsfunktionen in einem einzigen Gerät vereinen.
Die Ultraschallerkennung ist unglaublich präzise und verfügt über eine hohe Bildwiederholfrequenz, sodass Dutzende oder Hunderte von Pings oder Chirps pro Sekunde gesendet werden können. Die Farbe und Transparenz eines Objekts haben kaum Einfluss auf die Messwerte, da sie auf Schall und nicht auf elektromagnetischen Wellen basieren.
Dieselbe Eigenschaft bedeutet, dass sie kein Licht benötigen oder abgeben, was sie ideal für Bedingungen macht, die entweder von Natur aus dunkel sind oder dunkel sein müssen. Die Schallwellen breiten sich mit der Zeit aus und vergrößern so den Erfassungsbereich – was je nach Anwendung vorteilhaft oder nachteilig sein kann. Diese sind aufgrund ihrer einfachen Beschaffenheit zudem sehr kostengünstig, flexibel und sicher.
Ultraschallsensoren hingegen haben ihre eigenen Nachteile. Der Sensor besteht aus zwei Teilen: dem Sender und dem Empfänger, die kombiniert oder separat erworben werden können. Da die Schallgeschwindigkeit mit der Lufttemperatur variiert, beeinträchtigen erhebliche Temperaturänderungen die Genauigkeit. Dies kann jedoch durch die Verwendung von Temperaturmessungen zur Aktualisierung der Berechnungen abgemildert werden.
Da Schallwellen auf absorbierenden Oberflächen nicht so gut reflektiert werden, können weiche Materialien die Genauigkeit beeinträchtigen. Obwohl Ultraschallsensoren von Natur aus Sonaren ähneln, sind sie nicht für den Einsatz unter Wasser konzipiert. Da es im Vakuum kein Medium für die Schallübertragung gibt, sind sie aufgrund ihrer Abhängigkeit vom Schall nutzlos.
3.4 IR-Näherungssensor
IR, kurz für Infrarot, sendet einen Infrarotlichtstrahl aus, um die Anwesenheit eines Objekts zu erkennen. Er funktioniert ähnlich wie Ultraschallsensoren, sendet jedoch statt Schallwellen Infrarotsignale aus.
Infrarot-Näherungssensoren umfassen eine IR-LED, die Licht aussendet, und einen Lichtdetektor, der reflektiertes Licht erkennt. Es verfügt über eine integrierte Signalverarbeitungsschaltung, die einen optischen Punkt auf dem PSD festlegt.
Wie funktionieren IR-Näherungssensoren? Zunächst wird Infrarotlicht vom IR-LED-Strahler ausgestrahlt. Dann trifft der Lichtstrahl auf das Objekt und wird schräg zurückreflektiert. Das reflektierte Licht gelangt zum Lichtdetektor. Schließlich ermittelt der Sensor im Lichtdetektor die Position/Entfernung des reflektierenden Objekts.
3.5 Photoelektrischer Näherungssensor
Der fotoelektrische Näherungssensor besteht aus einem Strahlgenerator, einem speziellen Strahldetektor, einem Verstärker und einem Mikroprozessor. Wenn der emittierte Lichtstrahl von einem Objekt reflektiert wird, erkennt ihn der Fotodetektor und der Sensor erkennt das Objekt auf diese Weise.
Der emittierte Lichtstrahl wird auf eine bestimmte Frequenz moduliert, und der Detektor verfügt außerdem über einen frequenzempfindlichen Verstärker, der nur auf Licht reagiert, das mit der entsprechenden Frequenz moduliert ist. Dies verhindert Fehlerkennungen durch Licht oder Sonnenlicht. Wenn der fotoelektrische Näherungssensor ein schwarzes Objekt erkennt, verhindern die nicht reflektierenden Eigenschaften des Objekts, dass der Sensor ordnungsgemäß funktioniert. Das Gleiche gilt, wenn er auf transparente oder brechende Objekte trifft.
Obwohl fotoelektrische Näherungssensoren für viele industrielle Anwendungen geeignet sind, werden sie auch häufig in Wohn- und Gewerbeumgebungen eingesetzt, beispielsweise als Garagentorsensoren und zur Personenzählung in Geschäften. Optoelektronische Sensoren können hinsichtlich der Umsetzung auf unterschiedliche Weise aufgebaut werden. Beim Einweglichtstrahl wird auf der einen Seite ein Sender und auf der anderen Seite ein Detektor verwendet, wobei die Erkennung erfolgt, wenn der Strahl unterbrochen wird.
Der Emitter und der Detektor sind in einem retroreflektierenden System nebeneinander angeordnet, wobei ein Reflektor auf der anderen Seite das Signal vom Emitter zurück zum Detektor reflektiert. Bei der Diffusionstechnik schließlich liegen Emitter und Detektor nahe beieinander, das emittierte Licht wird jedoch von der umgebenden Oberfläche reflektiert, ähnlich wie bei Ultraschallsensoren, jedoch ohne die Möglichkeit, Entfernungen zu messen.
Aufgrund des Fehlens beweglicher Teile haben fotoelektrische Sensoren eine lange Lebensdauer und können eine Vielzahl von Materialien erkennen, während transparente Materialien und Wasser ein Problem darstellen können. Große Erfassungsreichweiten und schnelle Reaktionszeiten werden durch die Einweg- und Retroreflexionsaufbauten gewährleistet. Kleine Objekte können mit diffusen Aufbauten erkannt werden, bei denen es sich auch um mobile Detektoren handeln kann.
Diese vertragen alle Verschmutzungen in industriellen Anwendungen, solange die Linse nicht verschmutzt wird. Ihre Fähigkeit, den Abstand zu einem Objekt zu messen, ist jedoch stark eingeschränkt, und Objektfarbe und Reflexionsvermögen können Probleme verursachen. In stark frequentierten Umgebungen kann die Installation des Geräts kompliziert sein, da die Einweg- und die Retroreflexionseinrichtung installiert und ausgerichtet werden müssen.
Ⅳ Die Anwendung des Näherungssensors
Induktive Sensoren finden sich in Werkzeugmaschinen, Maschinen für die Textilindustrie, der Automobilindustrie, Montagelinien usw. Sie werden zur Erkennung von Metallteilen in rauen Umgebungen eingesetzt und wenn es darum geht, sich schnell bewegende Teile zu überprüfen.
Kapazitive Sensoren finden sich an Verpackungslinien, Verpackungsanlagen und bei der Füllstandmessung durch Kunststoff- oder Glaswände.
An Förderbändern finden sich Ultraschallsensoren zur Erkennung von Flaschen oder Verpackungen. Sie können auch verwendet werden, um den Füllstand einer Flüssigkeit (in Fläschchen) oder Pellets (in Trichtern) zu erfassen.
Optoelektronische Sensoren werden zur Teileerkennung in den Bereichen Textil, Robotik, Aufzug und allgemeines Bauwesen eingesetzt. Auch in den Bereichen Handling und Transport sowie bei Anwendungen, bei denen es um die Detektion von Personen, Fahrzeugen oder Tieren geht, kommen sie zum Einsatz.
Näherungssensoren können auch zur Überwachung von Maschinenschwingungsänderungen eingesetzt werden, um den Abstand zwischen der Welle und ihren Stützlagern zu messen. Übliche Anwendungen sind große Dampfturbinen, Kompressoren und Motoren mit Gleitlagern.
Wenn außerdem eine Reihe von Näherungssensoren in einer Matrix angeordnet ist, kann die Ebenheit der Oberfläche des Objekts erfasst werden. Unter Verwendung einiger bekanntermaßen flacher Objekte kann die Matrix nach der Validierung jedes Näherungssensors automatisch erkennen, ob die Ebenheit der werkseitig hergestellten Objekte innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt.
Das häufigste Beispiel ist der Näherungssensor eines Mobiltelefons. Die Funktion dieses Sensors besteht darin, zu verhindern, dass der Benutzer versehentlich den Bildschirm berührt, wenn der Benutzer die Anruffunktion verwendet, um einen fehlerhaften Vorgang auszuführen. Wenn der Sensor die Nähe eines Objekts erkennt, befiehlt er, das Display zu schließen, um eine versehentliche Berührung zu verhindern.
Ⅴ So wählen Sie einen geeigneten Näherungssensor aus
Um Ihnen bei der Auswahl des besten der ersten vier zu helfen, habe ich einige Parameter erwähnt, die Sie bei der Auswahl eines Näherungssensors berücksichtigen sollten. Allerdings müssen Sie zunächst Ihren beabsichtigten Zweck berücksichtigen; Was versuchst du überhaupt zu verwenden?
| Kriterien für Näherungssensoren | So wählen Sie aus | Sensoreignung |
Objektanforderungen | Berücksichtigen Sie die folgenden Faktoren, wenn Sie das Objekt betrachten, an dem Sie einen Näherungssensor verwenden möchten: Farbe des Objekts Die Form des Objekts Material des Objekts | Objekte mit komplexen Spezifikationen werden am besten bedient durch: IR-Näherungssensor Nicht für die Gestaltung komplexer Objekte geeignet: Ultraschall-Näherungssensor |
Umgebung der Wahrnehmung | Schauen Sie sich in dem Bereich um, in dem Sie Ihr Objekt erkennen werden. Berücksichtigen Sie Folgendes: Sauberkeit Temperatur Feuchtigkeit | Geeignet für den Einsatz in rauer Umgebung: Kapazitiv (am besten geeignet) Induktiv Ultraschall Inkompatibel mit einer rauen Umgebung: IR-Näherungssensor |
Erfassungsbereich/Entfernung | Prüfen Sie, ob sich das Objekt in der Nähe der Sensorfläche befinden würde. Berücksichtigen Sie Folgendes: Der Abstand zwischen dem positionierten Objekt und dem Sensor (Fern oder Nah) | Geeignet für die Erfassung im Nahbereich: Induktive und kapazitive Näherungssensoren Geeignet für die Erfassung großer Entfernungen: Ultraschall- und IR-Näherungssensoren |
Ⅵ FAQ
1. Was macht ein Näherungssensor?
Im Gegensatz zur herkömmlichen optischen Erkennung eignen sich Näherungssensoren für feuchte Bedingungen und den Einsatz in einem breiten Temperaturbereich. Näherungssensoren sind auch in Telefonen anwendbar, sei es in Ihren Android- oder IOS-Geräten. Es besteht aus einer einfachen IR-Technologie, die das Display entsprechend Ihrer Nutzung ein- und ausschaltet.
2. Wie genau sind Näherungssensoren?
Heutige hochwertige induktive Näherungssensoren können Auslösepunkte haben, die auf 0,0001 Zoll wiederholbar sind. Um eine solche Präzision zu erreichen, muss das erkennbare Objekt jedoch nach jeder Auslösung des Sensors um den Rückstellabstand vom Sensor wegbewegt werden.
3. Wie wähle ich einen Näherungssensor aus?
Bei der Detektion von Metallen sollte vorrangig der induktive Näherungssensor ausgewählt werden. Bei der Erkennung nichtmetallischer Materialien sollte vorrangig der kapazitive Näherungssensor ausgewählt werden. Bei der Erkennung magnetischer Signale sollte vorrangig der magnetische Induktionsnäherungssensor ausgewählt werden.
4. Welche Reichweite hat der Näherungssensor?
Der Sensor kann auch zur Erkennung einer Vielzahl nichtmetallischer und metallischer Objekte verwendet werden und arbeitet typischerweise in einem Bereich von 3 bis 30 mm.
5. Welche verschiedenen Arten von induktiven Sensoren gibt es?
Induktive Näherungssensoren werden nach dem Funktionsprinzip grob in die folgenden drei Typen eingeteilt: der Hochfrequenzschwingungstyp mit elektromagnetischer Induktion, der magnetische Typ mit einem Magneten und der kapazitive Typ mit Kapazitätsänderung.
6. Was ist ein induktiver Näherungssensor?
Ein induktiver Näherungssensor ist ein berührungsloser elektronischer Näherungssensor. Es dient der Positionierung und Detektion von Metallobjekten. Der Erfassungsbereich eines induktiven Schalters hängt von der Art des zu erkennenden Metalls ab. Der Sensor besteht aus einer Induktionsschleife oder Detektorspule.
7. Wo werden induktive Näherungssensoren eingesetzt?
Weitere Anwendungen für induktive Näherungssensoren sind der Einsatz auf Gabelstaplern, die Überwachung der Komponentenposition in hydraulischen Maschinen und für Industrien, die Kunststoffteile formen.
8. Wie funktionieren kapazitive Näherungssensoren?
Wie der Name schon sagt, registrieren kapazitive Näherungssensoren eine Änderung der vom Sensor erfassten Kapazität. Wenn ein Objekt vorhanden ist, ändert sich dadurch der Kapazitätswert und wird als Anwesenheit des Objekts registriert. Kapazitive Näherungssensoren eignen sich zur Erkennung einer Vielzahl von Objekten.
9. Was erkennen kapazitive Sensoren?
Viele Arten von Sensoren verwenden kapazitive Sensoren, darunter Sensoren zur Erkennung und Messung von Nähe, Druck, Position und Verschiebung, Kraft, Feuchtigkeit, Flüssigkeitsstand und Beschleunigung. Auf kapazitiven Sensoren basierende Benutzerschnittstellengeräte wie Trackpads können die Computermaus ersetzen.
10. Was ist ein Telefon-Näherungssensor?
In Android wird der Näherungssensor hauptsächlich dazu verwendet, zu erkennen, wann sich das Gesicht des Benutzers in der Nähe des Bildschirms befindet. Auf diese Weise scheint sich der Bildschirm des Telefons auszuschalten, wenn Sie es beim Telefonieren an Ihr Ohr halten, und verhindert so ein versehentliches Drücken von Tasten.
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