שיקולי תכנון בבחירת טכנולוגיית חיישן קירבה

ישנן מספר טכנולוגיות מובילות של חיישני קירבה; כל אחת עם סטנדרטי פעולה שונים מאוד ועוצמות שונות כשמגיעים לקביעת גילוי, מרחק או קירבה. מאמר זה מתאר ארבע מהאפשרויות עבור מערכות משובצות קומפקטיות וקבועות ועקרונות הפעולה הבסיסיים שלהן כדי לעזור למהנדסים לקבוע איזו מהן לבחור בהתאם לדרישות התכן שלהם.

חיישני קירבה מעניקים שיטה מדויקת לגילוי נוכחות ומרחק של אובייקט מבלי שיהיה להם מגע פיזי כלשהו. החיישן פולט שדה אלקטרומגנטי, אור או גל קול אולטרסוני המוחזר או עובר דרך האובייקט וחוזר לחיישן. יתרון משמעותי שיש לחיישני קירבה על פני מתגי גבול קונבנציונליים הוא שהם עמידים יותר ויכולים להחזיק מעמד זמן רב יותר, מכיוון שאין בהם חלקים מכניים.

כאשר בוחנים את טכנולוגיית חיישני הקירבה האידיאלית עבור יישום מסוים, חייבים לשקול את העלות, הטווח, הגודל, קצב הרענון או השיהוי ואת השפעת החומר, ולהוסיף את ההקשר למה שהכי חשוב עבור התכן.

אולטרסוני

כפי שהשם מרמז, חיישני קירבה אולטרסוניים פולטים פולס אולטרסוני, המכונה 'ציוץ', כדי לגלות נוכחות של אובייקט, וניתן להשתמש בהם גם לחישוב המרחק לאובייקט. הם מורכבים ממשדר ומקלט, ופעולתם מבוססת על עיקרון המיקום באמצעות הד (איור 1).

איור 1‏: כיצד פועל חיישן אולטרסוני. (מקור התמונה: Same Sky)

על ידי מדידת משך הזמן שלוקח לציוץ לפגוע ולחזור מפני השטח, המכונה לעתים 'זמן הטיסה' (ToF), החיישן יכול לקבוע כמה רחוק נמצא האובייקט. בדרך כלל, המשדר והמקלט נמצאים זה ליד זה, אך שימוש במיקום באמצעות הד עדיין יעבוד כאשר המשדר והמקלט הם נפרדים. בכמה מהמקרים פונקציות השידור והקליטה משולבות בתוך מארז אחד; התקנים אלה ידועים כמקמש"ים אולטרסוניים.

על ידי שימוש בקול, ולא בגלים אלקטרומגנטיים, קריאות חיישנים אולטרסוניים אינן מושפעות מצבעו ושקיפותו של האובייקט. יש להם יתרון נוסף בכך שהם לא מייצרים אור, מה שהופך אותם לאידיאליים לסביבות חשוכות או אפילו לאלו המוארות בבהירות. גלי הקול יוצרים התפשטות על פני זמן ומרחק, ממש כמו אדווה במים, וההרחבה הזו של אזור הגילוי או שדה הראייה (FoV), יכולה להיחשב כחוזק או חולשה בהתאם ליישום. עם זאת, עם רמת דיוק טובה, קצב רענון גבוה למדי, ופוטנציאל לשדר מאות ציוצים בשנייה, חיישני קירבה אולטרסוניים יכולים לספק פתרון ורסאטילי, בטוח ועם יחס עלות-תועלת מיטבי.

חיסרון מהותי אחד של חיישנים אולטרסוניים הוא ששינוי טמפרטורת האוויר ישפיע על מהירות גל הקול, אשר יקטין את דיוק המדידות. עם זאת, ניתן לקזז זאת על ידי מדידת הטמפרטורה על פני המרחק בין המשדר למקלט וכיוונון החישובים בהתאם. מגבלות אחרות כוללות את העובדה שאי אפשר להשתמש בחיישנים אולטרסוניים בוואקום, שבו אין אוויר כדי להעביר את הקול. חומרים רכים גם לא יחזירו את הקול בצורה יעילה כמו משטחים קשים, מה שיכול לפגוע בדיוק. לבסוף, למרות שטכנולוגיית חיישנים אולטרסוניים פועלת לפי עיקרון הדומה לסונאר, היא אינה עובדת מתחת למים.

פוטואלקטרי

עבור גילוי נוכחות או היעדרות של אובייקט, חיישנים פוטואלקטריים הם אפשרות מעשית. הם לרוב מבוססי אינפרה-אדום, עם יישומים טיפוסיים הכוללים חיישני דלתות חניה או ספירת מבקרים בחנויות, אם כי הם מתאימים עבור מגוון רחב של יישומים תעשייתיים אחרים.

ישנן מספר דרכים לממש חיישנים פוטואלקטריים (איור 2). קרן-עוברת משתמשת בפולט בצד אחד של האובייקט ובגלאי בצד הנגדי. אם הקרן נשברת, אז זה מציין נוכחות של אובייקט. מימוש רטרורפלקטיבי הוא כאשר הפולט והגלאי ממוקמים ביחד, בעוד שהרפלקטור הוא בצד הנגדי. בדומה, סידור מפוזר גם הוא ממקם ביחד את הפולט והגלאי, אך במקום זאת, האור הנפלט מוחזר מכל אובייקט שמתגלה. התקנה זו אינה מאפשרת למדוד מרחק.

איור 2‏: חיישנים פוטו-אלקטריים - קרן-עוברת, רטרורפלקטיבית ומפזרת-רפלקטיבית. (מקור תמונה: Same Sky)

כינון חיישן פוטואלקטרי בתצורה של קרן-עוברת או רטרורפלקטיבי הופך אותו למתאים עבור יישומים הדורשים טווח חישה מוגדל עם שיהוי קצר. עם זאת, מכיוון שיש להרכיב וליישר אותם בקפידה, התקנת מערכת בסביבות עמוסות עלולה להיות מאתגרת. מימושים מסוג מפוזר מתאימים יותר לגילוי אובייקטים קטנים ויכולים להיות גם גלאים ניידים.

ניתן להשתמש במערכי חיישנים פוטו-אלקטריים בסביבות מזוהמות, הקיימות לעיתים בסביבות תעשייתיות, ובדרך כלל הם מציעים אורך חיים ארוך יותר לעומת חלופות אחרות, מכיוון שאין להם חלקים נעים. כל עוד העדשה מוגנת ונשמרת נקייה, אזי ביצועי החיישנים יישמרו. למרות שהם יכולים לחוש ברוב האובייקטים, עלולות להתעורר בעיות במשטחים שקופים ורפלקטיביים ובמים. מגבלות אחרות כוללות חישוב מרחק מדויק, ובהתאם למקור האופטי, גילוי אובייקטים בצבע מסוים, למשל, אדום אם משתמשים ב- IR.

מודדי מרחק עם לייזר

אפשרות יקרה היסטורית, מדידת מרחק עם לייזר (LRF‏) הפכה לאחרונה לפיתרון בר-קיימא עבור יישומים רבים. חיישנים בהספק גבוה פועלים על פי אותו עיקרון כמו חיישנים אולטרסוניים אך משתמשים בקרן לייזר במקום בגלי קול.

מכיוון שפוטונים נעים במהירות כה גבוהה, חישוב ה- ToF במדויק יכול להיות קשה. כאן, טכניקות כגון שימוש באינטרפרומטריה יכולות לסייע בשמירת הדיוק תוך הפחתת העלות (איור 3). יתרון נוסף של חיישני מדידת מרחק עם לייזר הוא שעקב השימוש בקרן אלקטרומגנטית, יש להם בדרך כלל טווח ארוך להפליא (עד אלפי רגל) וזמן התגובה הוא מינימלי.

איור 3‏: מימוש מדידת מרחק עם לייזר באמצעות אינטרפרומטריה. (מקור תמונה: Same Sky)

למרות יכולות השיהוי האולטרה-קצר והטווח של חיישנים אלו, יש להם מגבלות משלהם. הלייזרים הם צמאי-הספק, כשהמשמעות היא שהם אינם מהווים אפשרות מתאימה עבור יישומים מוזני-סוללות או ניידים, ויש להביא בחשבון בעיות בטיחות בנוגע לבריאות העין. שיקול נוסף הוא ששדה הראייה (FoV‏) הוא גם צר יחסית, וכמו בחיישנים פוטו-אלקטריים, הם אינם עובדים היטב עם מים או זכוכית.  למרות שהמחיר של סוג זה של טכנולוגיה יורד, זוהי עדיין אחת האפשרויות היקרות ביותר שיש.

אינדוקטיבי

חיישנים אינדוקטיביים קיימים שנים רבות, אך הם הופכים ליותר מיינסטרים. עם זאת, בניגוד לטכנולוגיות אחרות לחישת קירבה, הן יעבדו רק עם עצמים מתכתיים מאחר והם משתמשים בשדה מגנטי עבור הגילוי (איור 4). יישום טיפוסי יהיה גלאי מתכת.

איור 4: איך עובד חיישן אינדוקטיבי, (מקור תמונה: Same Sky)

טווח הגילוי יכול להשתנות, בהתאם לכינון החיישן. יישום לטווח קצר יכול להיות ספירת סיבובי גלגל שיניים על ידי גילוי מתי קיימת שן מסוימת היא ליד החיישן. יישומים לטווח ארוך יותר יכולים להיות ספירת רכבים על ידי שיבוץ חיישנים אינדוקטיביים בתוך משטח הכביש או אפילו כדי להדגים את המרחק הכה גדול בו החיישנים יכולים לפעול - כדי לגלות פלזמה בחלל. כחיישני קירבה, חיישנים אינדוקטיביים נוטים לשמש ליישומים לטווחים קצרים ביותר ויכולים לספק קצב רענון מהיר ביותר בשל היותם מבוססים על העיקרון של גילוי הפרשים בשדות אלקטרומגנטיים. הביצועים שלהם הם גם טובים יותר עם חומרים עשויי ברזל, כמו ברזל ופלדה.

חיישנים אינדוקטיביים מציעים פיתרון עם יחס עלות-תועלת מיטבי על-פני טווח גדול ביותר. עם זאת, יש לקחת בחשבון את המגבלות של אילו חומרים הם יכולים לחוש ביחד עם העובדה שהם רגישים למגוון רחב של מקורות הפרעה.

סיכום

כאשר בוחנים את כל אתגרי המימוש של חישת קירבה, חיישנים אולטרסוניים הם לרוב הטכנולוגיה הכוללת הטובה ביותר (איור 5). העלות הנמוכה שלהם, היכולת לגלות נוכחות של אובייקט, לחשב במדויק את המרחק אליו וקלות השימוש הם התכונות המנצחות.

איור 5: השוואה בין ארבע טכנולוגיות חיישני הקירבה (מקור התמונה: Same Sky)

לפרטים נוספים על חיישנים אולטרסוניים מבית Same Sky, אנא בקרו ב-: חיישנים אולטרסוניים מבית Same Sky