近接センサー：さまざまなテクノロジーのレビュー

4つの異なるタイプの近接センサー技術（超音波、光電、レーザー距離計、誘導センサー）の比較をご覧ください。

単純な物体検出または物体への正確な距離測定のいずれかを提供するためのノータッチ方法として最も一般的に利用されており、近接センサー階層に分類される多くの技術があり、それぞれが異なる動作原理、長所、および短所を提供します。

しかし、このようにさまざまなオプションが利用できるので、エンジニアはどのようにして設計に最適なテクノロジーを選択するのでしょうか。

このプロセスで設計者を支援するために、この記事では、ポータブルまたは小型の固定組み込みシステムに現実的に適合し、数インチから数十フィートまでの中程度の範囲の検出に適した、最も一般的な4つの近接センサーテクノロジーについて説明します。

• 超音波
• 光電
• レーザー距離計
• 誘導センサー

静電容量センサーとホール効果センサーは、他の2つの一般的な近接センサー技術ですが、非常に近距離の検出シナリオでは通常使用が制限されているため、ここでは考慮しません。

上で強調した4つのテクノロジーのそれぞれを掘り下げる前に、近接センサーテクノロジーがすべてのアプリケーションと使用目的に万能のソリューションを提供するわけではないことに注意することが重要です。コスト、検出範囲、パッケージサイズ、リフレッシュレート、材料の効果など、近接センサー技術を選択する際に考慮すべき多くの要因があります。

各テクノロジーがこれらのさまざまな要因の範囲内にあり、最終的なアプリケーションにとって最も重要なものを理解することが、正しい選択を行うための鍵となります。

超音波技術

超音波センサーは、音の超音波パルスを生成し、そのパルスが物体に当たって跳ね返って戻るまでにかかる時間を測定します。それらは、前記オブジェクトまでの距離を計算するため、または単にその存在を検出するために使用することができます。

超音波センサーの実装では、個々の送信機モジュールと受信機モジュールのいずれかを使用できます（送信機がチャープを発し、受信機がそれを検出します）。または、送信機能と受信機能を組み合わせて、超音波トランシーバーと呼ばれる単一のモジュールにすることができます。別々の送信機モジュールと受信機モジュールが使用される実装では、通常、最高の精度を得るために、それらは可能な限り近くに配置されます。

図1。 超音波技術の一般的な実装

超音波センサーはシンプルな設計であるため、低コストのオプションであり、さまざまなアプリケーションに適した多くの利点があります。毎秒数百のパルスを送信できる超音波センサーは、高いリフレッシュレートで正確です。

超音波センサーは電磁波ではなく音に基づいているため、物体の色と透明度、および明暗環境での動作は、精度や機能に影響を与えません。さらに、音波が時間の経過とともに広がるにつれて、それらの検出領域が増加します。これは、設計のニーズに基づいて長所または短所になる可能性があります。

音は明暗の影響を受けませんが、音速は気温の変化の影響を受けます。この温度の劇的な変化は、超音波センサーの精度に大きな影響を与える可能性があります。これは、計算を更新するために温度を測定することで相殺できますが、それでもテクノロジーの制限です。

これらの音波は、音が効率的に跳ね返ることができない柔らかい素材や吸収性の素材によっても制限される可能性があります。最後に、超音波センサーは水中での使用を目的としておらず、音波に依存しているため、音を伝達する媒体がない真空では機能しません。 CUIデバイスのブログ「超音波センサーの基礎」では、このテクノロジーについてさらに詳しく説明しています。

光電技術

不在または存在の検出に最も効果的な光電センサーは、ガレージドアセンサーや店舗での乗員カウント、その他の産業、住宅、および商業用途での使用が一般的に認識されています。可動部品がないため、光電センサーは一般に製品のライフサイクルが長くなります。彼らはほとんどの物質を感知することができますが、透明な物体や水は問題を引き起こす可能性があります。

それらは、いくつかの異なる実装を提供します：スルービーム、再帰反射、および拡散反射。

スルービームの実装（図2）は、送信機と受信機が互いに反対側に配置された、上記のガレージドアセンサーとして認識される可能性があります。これらの2点間のビームの途切れは、センサーに物体の存在を示します。

図2。 スルービームの実装

再帰反射（図3）は、送信機と受信機を隣り合わせに配置し、送信機から受信機にビームを反射する再帰反射器を反対側に配置します。

図3。 再帰反射の実装

拡散反射（図4）は再帰反射と同様に動作しますが、超音波センサーのように、ビームを反射板で跳ね返すのではなく、近くの物体で跳ね返らせます。ただし、この実装には距離を計算する機能がありません。

図4。 拡散反射実装

拡散反射は小さな物体の検出に優れているのに対し、貫通ビームと再帰反射は長い検出範囲と迅速な応答時間を提供するため、さまざまな実装には利点もあります。光電センサーは、レンズに汚染物質がない限り、産業環境で一般的に見られる堅牢なソリューションでもあります。そうは言っても、距離計算は光電センサーには事実上存在しない機能であり、オブジェクトの色と反射率が問題を引き起こす可能性があります。

さまざまな光電実装では、注意深い取り付けと位置合わせも必要であり、複雑なシステムで追加の課題が発生する可能性があります。

レー​​ザー距離計テクノロジー

音波ではなく電磁ビームを利用するレーザー距離計センサーは、超音波センサーと同様の原理で動作します。この技術は近年より経済的に実行可能になっていますが、それでも超音波や他の技術と比較してはるかに高価なオプションです。

レーザー距離計技術は、数百フィートまたは数千フィートを超える非常に長い検出範囲と、高速な応答時間を備えています。光の速度は音の速度よりもはるかに速いため、飛行時間の測定はレーザー距離計センサーにとって課題となる可能性があります。これは、干渉法のような実装を利用して、コストを削減し、精度を向上させることができる場所です。

図5。 典型的なレーザー距離計干渉計のセットアップ

先に述べたように、レーザー距離計はこの記事で説明されている最も高価な技術であり、多くのエンジニアの部品表では実現可能性が低くなっています。このセンサー技術で使用されるレーザーは、多くの電力を消費し、ポータブルアプリケーションでの使用を制限すると同時に、ユーザーを潜在的な目の安全上のリスクにさらします。

目的のアプリケーションによっては、レーザーの比較的焦点の合った検知領域と分散の欠如が利点または制限と見なされる場合があります。レーザー距離計は、水やガラスを扱うときにもうまく機能しません。

誘導技術

古い動作原理に基づいていますが、誘導センサーは最近、より広く使用されるようになりました。ただし、これまでに説明した他の3つの技術とは異なり、誘導技術は金属物体にのみ適しています。

誘導センサーは、金属物体が検出範囲内に入ると、磁場の変化を検出することによって動作します。これは、あらゆる金属探知機の基本的な動作原理です。

図6。 誘導センサーは、金属物体を検出するために使用されます

一般的な金属探知機の外では、誘導センサーは通常ミリメートルからメートルの領域で広い検出範囲を持っています。これには、ギアの回転をカウントするなどの近距離アプリケーションや、道路での車両検出などの長距離実装が含まれる場合があります。

それらは鉄材料（すなわち、鉄および鋼）で最高の性能を発揮しますが、それでも検出範囲を狭めて非磁性物体を検出することができます。誘導センサーはまた、非常に速いリフレッシュレート、簡単な操作、および検出範囲の点での柔軟性を誇っています。ただし、最終的には、感知できるものによって制限され、さまざまなソースからの干渉を受けやすくなります。

結論

近接センサー技術を選択する際に考慮すべき多くの要因があります。この記事で説明するさまざまなテクノロジーの利点とトレードオフを理解すると、この選択プロセスが容易になります。

表1。 コスト、範囲、サイズ、リフレッシュレート、および材料の効果による、対象となる近接センサーのマトリックス比較。

各テクノロジーには最適な用途がありますが、超音波センサーは、コストが低く、存在と距離の両方を検出する機能があり、通常は簡単に実装できるため、全体的に適切な選択肢となることがよくあります。これが、超音波センサーが新しい用途や用途を探し続けながら、このように幅広い設計で見られる理由です。

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