Více snímačů – větší přesnost a spolehlivost

Řešení není omezeno jen na použití jediného senzoru nebo dokonce jediné technologie snímání. Často se navrhuje kombinace dvou a více senzorů s různými technologiemi. Je to sice nákladnější, ale ve výsledku dosáhneme vyšší spolehlivost a menší výskyt falešných alarmů. 

Pokud je v instalaci použito více snímačů musí se řešit priority snímání celého systému. Je-li primárním cílem zajistit, aby nebyly vynechány žádné skutečné cíle, je řešením zapojení senzorů paralelně a použít logickou funkci OR. Pokud dojde k detekci alespoň z jednoho snímače tak je zaznamenána detekce.

Pokud je důležitější vyvarovat se falešné pozitivní detekci (objekt je detekován i když neexistuje), tak je lepší použít více senzoru řazených sériově a funkci AND. Potvrzení detekce musí přijít ze všech snímačů.

Funkce OR i AND mohou být implementovány pomocí hardware nebo software. Implementace založená na softwaru je však flexibilnější. Můžeme použít různé algoritmy k filtrování jednotlivých signálů snímače. Použití softwaru také umožňuje přiřazení určité váhy jednotlivému senzoru a spolu s kombinací logiky AND a OR se sníží detekce falešných alarmů.

Začněte s optickým snímáním

Optické snímání je  založené na použití světelného nebo laserového paprsku obvykle v infračerveném (IR) spektru, který je zaostřen na místo detekce. Typický snímač se skládá z vysílače a přijímače umístěných naproti sobě a detekovaný cíl prochází mezi nimi. Druhou možností je vysílač a přijímač umístit vedle sebe na jedné straně a odrazný reflektor na vzdálenějším konci. Instalace s reflektorem zjednodušuje instalaci i zapojení, ale také znamená zdvojnásobení délky optické dráhy, což snižuje příjmový signál a zvyšuje poměr signálu k šumu (SNR). Vyzařovaný optický signál je obvykle impulzní. To proto, aby se odlišoval od rušení (okolního osvětlení, odrazů a dalších zdrojů optického šumu. Větší odolnost vůči rušení se dosahuje také tím, že světelný paprsek je přesně zaostřen. Optická detekce může být použita venku, ale často má problémy se slunečním světlem. Světelný paprsek musí mít velký dynamický rozsah, aby pokrýval jak temnotu, tak denní světlo.

Optický senzor je spolehlivý a umí detekovat cíle velikosti několika milimetrů do vzdálenosti desítek metrů. Avšak prach, mlha, pára a okolní optické rušení mohou zabránit snímání nebo způsobit falešné detekce. Špinavý reflektor (pokud je používán) může způsobit, že výkon odraženého signálu klesne pod minimální práh detekce, čímž ho vyřadí z činnosti. Optické systémy mají dnes jedinečnou výhodu ve srovnání s téměř všemi ostatními detektory. Pomocí optických vláken může být vyhodnocovací elektronika umístěna ve značné vzdálenosti od vysílače a přijímače. Optické vlákno přenese světelný paprsek na dlouhé vzdálenosti s minimálními ztrátami jeho výkonu do fototranzistoru vyhodnocovací jednotky.

Optické vlákno má často robustní krytí, které odolá drsnému prostředí, jako jsou extrémní teploty, oleje, nečistoty či mechanické poškození. Dodatečná ochrana pro optický kabel je jednodušeji realizována než pro elektroniku. Dobrým příkladem tohoto použití optického snímání je řada senzorů FX-500 od společnosti Panasonic (obrázek 1).

Obr. 1: Řídicí jednotka optického senzoru Panasonic FX-500 s citlivou elektronikou, která může být umístěna několik metrů od místa snímání (Zdroj obrázku: Panasonic Industrial Devices)

Tento snímač má elektroniku, která obsahuje všechny vyhodnocovací obvody, horní tlačítka pro nastavení režimu, intenzitu výstupu, nastavení prahu snímání a testovací funkce (obr. 2). Tuto elektroniku lze pohodlně umístit desítky metrů od místa použití.

Obrázek 2: Detail kontrolní jednotky senzoru FX-500  (Zdroj obrázku: Panasonic Industrial Devices)

Pár optických vláken, každý o průměru pouhých 2 milimetry nese optický signál z přijímače do vyhodnocovací jednotky ke zpracování. Vlákna jsou zakončena závitovými koncovkami pro snadné a robustní připevnění k panelu nebo povrchu (obrázek 3). Kvůli jejich malému poloměru ohybu 25 mm mohou být vlákna snadno vedena přes překážky.

Obrázek 3: Snímací konec přístroje FX-500 se skládá ze dvou tenkých optických vláken umístěných v robustních pouzdrech. Tenká vodorovná červená čára vlevo je "vizualizací" infračerveného paprsku jednotky. (Zdroj obrázku: Panasonic Industrial Devices)

Detekce přítomnosti na základě ultrazvuku

Ultrazvuková technologie využívá stejného principu jako u světelného paprsku. Vysílaný pulzní ultrazvukový paprsek je přijímán piezoelektrickým snímačem. Jako reflektor nám slouží snímaný objekt. Odražený signál (ozvěna) nese informaci o detekovaném objektu. Dokáže rozeznat osobu či auto. Ultrazvukové snímání má praktický dosah až několik metrů a má široký vysílací paprsek. Je vhodný pro detekci větších objektů ve vnitřním prostředí. Jakýkoliv vítr ovlivní dráhu signálu v obou směrech a tím ovlivní stabilitu výkonu a mohou vznikat falešné detekce. Také změny teploty mohou ovlivnit šíření ultrazvukové energie. Ultrazvukový snímač UM18-218 společnosti SICK AG na obrázku 4 může být použit i v náročném prostředí (obr. 4).

Snímač je umístěn v závitovém pouzdře o průměru 18 mm a má stupeň krytí IP67, takže je chráněn před prachem a je schopen odolat ponoření do až 1 m po dobu 30 minut. Napájecí napětí 10 až 20 V se spotřebou 1. 2 W při provozu 200 kHz a s dobou odezvy 80 ms. Jeho výstup je snadno propojitelný, jelikož se jedná o otevřený kolektor PNP tranzistoru, který můžeme zatížit až 200 mA.

Obrázek 4: Ultrazvukový převodník SICK UM18-218 v robustním pouzdře. Splňuje požadavky na ochranu proti prachu a vodě. (Zdroj obrázku: SICK AG)

Šířka paprsku UM18-218 je zobrazena v grafu na obrázku 4. Pro konstruktéry je jasně definován snímací prostor. Z obrázku je vidět, že maximální vzdálenost detekce je přibližně 1.3m.

Obrázek 5: Graf, který definuje detekční oblasti pro dva základní typy cílů (Zdroj obrázku: SICK AG)

V grafu jsou cíle – čtverec 500 mm x 500 mm a trubka o průměru 27 mm. Typ cíle modifikuje nejen vzdálenost, ale i tvar zóny, takže výsledky se liší pro každý detekovaný objekt.

Indukční snímání – varianta pro železné objekty

Specifickou volbou detekce je indukční snímání. Pokud se kovový objekt dostane do těsné blízkosti snímače, je signalizována detekce. Indukční snímač je zvláště vhodný pro detekci malých železných předmětů na krátkou vzdálenost. Ozubená kola, tlačítka na klávesnici nebo lopatky ventilátorů. Dále může být použita na delší vzdálenost pro detekci větších předmětů, jako jsou automobily. Jedná se o indukční smyčky pod povrchem vozovky, kde detekce přítomnosti automobilu slouží k otevření brány či pomáhá v rozhodovací logice pro řízení křižovatky. 

Bezdotykový snímač založený na magnetickém poli je spolehlivý a neovlivňují ho nečistoty, oleje, vlhkost, světlo. Snímače mohou být umístěny v jakémkoli robustním nekovovém pouzdře, aby obstál v drsných podmínkách nebo ho rovnou umístit pod povrch vozovky. Konstrukce vyhodnocovacího zařízení vyžadovala mnoho diskrétních komponent, které pracovali s indukčními snímači. To už je minulostí a lze použít integrovaný obvod LDC0851 od společnosti Texas Instrument (obrázek 6), který celou konstrukci značně zjednodušuje.

Obr. 6: Indukční senzor Texas Instruments LDC0851 řídí referenční cívku a snímací cívku. Pokud železný materiál naruší snímací zónu, změní se indukčnost snímací cívky, která pak mění frekvenci svého přidruženého oscilátoru L-C. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Tento integrovaný obvod funguje jako "komparátor" dvou cívek. Jedna cívka se používá jako snímací a druhá jako referenční. Pokud železný materiál naruší snímací zónu, změní se indukčnost snímací cívky, která pak mění frekvenci svého přidruženého oscilátoru L-C. Nominální frekvence oscilátoru je 200kHz a jakýkoliv železný předmět v magnetickém poli způsobí změnu této frekvence a integrovaný obvod LDC0851 tuto změnu vyhodnotí.  Aby bylo možné eliminovat vibrace celého systému, integrovaný obvod obsahuje uživatelem nastavitelnou hysterezi.

Kombinace referenční a snímací cívky kompenzuje negativní vlivy teploty a další faktory prostředí, jelikož působí na obě cívky současně. Cívky mohou být realizovány jako vnější diskrétní systém nebo mohou být součástí desky plošných spojů. V ideálním případě jsou obě cívky totožné, ale problémy týkající se vzájemného umístění, orientace a dalších faktorů vyžadují jemné doladění jedné nebo obou cívky pro optimální a stabilní výkon. Pokud jsme limitováni prostorem, mohou být cívky umístěny paralelně nebo sériově.

Pro dosažení nejlepšího snímacího rozsahu by vzdálenost mezi snímací a referenční cívkou měla být co možná největší. (obr. 7). Snímaný cíl by měl být umístěn ve vzdálenosti, která je menší než 40% průměru referenční cívky.

Obrázek 7: Snímače cívek LDC0851 jsou klíčem ke spolehlivému provozu a mohou být vyrobeny jako součást desky plošných spojů. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Indukční snímač je variantou magnetometru, což je pasivní zařízení, které zaznamenává změny magnetického pole země. Magnetometr je vhodný pro větší železné předměty ve vzdálenosti až několika metrů, například vozidla.

Závěr

Detekce přítomnosti osoby nebo objektu - malého nebo velkého, železného nebo neželezného - je základním požadavkem v mnoha systémech. Máme na výběr z detekce založených na optické, ultrazvukové nebo indukční technologii. Vývojáři těchto systému jsou stále pod větším tlakem, aby splnili požadavky na vyšší přesnost, spolehlivost a účinnost, a to při nižších nákladech. Konstruktéři musí zvážit provozní prostředí, typ detekovaného cíle, rušení okolních objektů. Kombinace více snímačů stejného nebo různého typu vede k vyšší přesnosti a spolehlivosti detekce. Dodavatele plní roli poskytovatele informací a předhání se v nabídce hotových řešení.