כיצד לבחור וליישם מכ"ם עבור חישה בסביבות קשות

יישומי חוץ, יישומים תעשייתיים וסביבות קשות אחרות מציבים תנאים שיכולים להפריע לטכנולוגיות חישה מרחוק כגון חיישנים אולטרסוניים. מזג-אוויר סוער, אבק ופסולת, וסביבות חישה מורכבות הם כמה מהבעיות שיכולות להשפיע על חיישנים סטנדרטיים.

חיישני מכ"ם יכולים להתמודד עם אתגרים אלה, ולגלות מטרות נעות ונייחות בתנאי סביבה שונים. מאמר זה סוקר את התרחישים שבהם ביצועי מכ"ם יכולים לעלות על האפשרויות החלופיות. הוא בוחן מספר סוגים של חיישני מכ"ם של Banner Engineering, את היישומים שלהם ושיקולי תכנון שיש לזכור בעת בחירת החיישן.

מדוע להשתמש בחיישני מכ"ם?

המכ"ם חסין בפני גשם, אבק וחומרים נפוצים אחרים הנישאים באוויר, פועל היטב באותה מידה בחללים בהירים ולא מוארים, ואינו מושפע משינויי טמפרטורה ורוח. הוא יכול לגלות משטחים עם מגוון רחב של גימורים, גאומטריות וצבעים, וגם לחדור דרך חומרים לא-מוליכים, דבר המאפשר לחיישני המכ"ם להציץ לתוך מכלים.

בנוסף, המכ"ם יכול לשמש על פני מרחקים ארוכים יחסית כשהוא גם עמיד בפני ערב-דיבור (Crosstalk), דבר שמעניק לו יתרונות עבור יישומי מרחקים קצרים שבהם החיישנים נמצאים בסמיכות זה לזה.

כיצד פועל המכ"ם

מכ"ם פועל על ידי שליחת גלים אלקטרומגנטיים לאובייקטי המטרה, וקביעת המרחק אליהם על בסיס משך הזמן שלוקח לאות לחזור. חיישני מכ"ם משתמשים בשתי טכנולוגיות עיקריות: גל רציף מאופנן תדר (FMCW) ומכ"ם פולס קוהרנטי (PCR).

מכ"ם FMCW פולט זרם קבוע של גלי רדיו, המאפשר ניטור ללא הפרעה של אובייקטים נעים ונייחים. חיישני PCR שולחים גלי רדיו בפולסים, בדרך כלל באמצעות משדרים בעלי הספק נמוך. דבר זה הופך את חיישני ה-PCR למתאימים יותר ליישומי מרחקים קצרים.

המרחק ורגישות החומר מושפעים מאוד גם מתדר הפעולה. תדרים נמוכים טובים יותר עבור גילוי במרחקים ארוכים ועובדים היטב עם חומרים בעלי קבועים דיאלקטריים גבוהים, כגון מתכות ומים. תדרים גבוהים יותר מציעים דיוק רב יותר ומותאמים יותר לגילוי אובייקטים קטנים ולמגוון רחב יותר של חומרים.

תבניות אלומה ואזורי חישה

ניתן למטב את חיישני המכ"ם להתמקד באזורי עניין ספציפיים ולעקוב אחר אובייקט אחד או מספר אובייקטים. הפרמטרים העיקריים כוללים את תבנית האלומה, את אזורי החישה ואת השטחים המתים.

חיישני מכ"ם פולטים גלי רדיו בתבנית ספציפית, המוגדרת על ידי זוויות אופקיות ואנכיות. תבניות אלומה צרות מציעות גילוי מדויק ומרחק ארוך יותר, בעוד שתבניות אלומה רחבות מכסות שטחים גדולים יותר ומגלות טוב יותר אובייקטים בעלי צורה לא-סדירה.

חיישני מכ"ם רבים מאפשרים הגדרה של מספר אזורי חישה בתוך תבנית האלומה שלהם. תכונה זו מאפשרת תרחישי גילוי מורכבים יותר, כגון הגדרת פרמטרים שונים עבור אזורים קרובים ורחוקים ביישומים למניעת התנגשויות.

השטח המת הוא השטח שנמצא לפני החיישן ממש בסמוך לו, שבו הזיהוי אינו אמין. לחיישנים בתדר גבוה יותר יש בדרך כלל שטחים מתים קצרים יותר.

זיהוי חיישן המכ"ם האופטימלי: נתחיל ביסודות

בעת בחירת חיישן מכ"ם ישנם גורמים רבים שיש להביא בחשבון. בנוסף לפרמטרי הפעולה הבסיסיים, לחיישני המכ"ם יש מאפיינים שונים המשפיעים על העלות, העמידות ונוחות השימוש בהם. איור 1 מספק תרשים זרימה הממחיש כמה מצומתי ההחלטות האלו באמצעות חיישני מכ"ם של Banner Engineering כדוגמה.

איור 1: מוצג תרשים זרימה הממחיש את תהליך בחירת חיישן מכ"ם. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

הסדרה Q90R של Banner Engineering היא נקודת מוצא שימושית. חיישני FMCW אלו פועלים במהירות של 60 גיגה-הרץ (GHz) כדי לאזן בין המרחק, הדיוק ויכולות גילוי החומרים. יש להם תחום חישה של 0.15 מטרים (מ') עד 20 מ', שטח מת של 150 מילימטרים (מ"מ), ושני אזורי חישה ניתנים להגדרה.

מקרה שימוש לדוגמה עבור חיישנים אלו הוא גילוי מתי מגיעות משאיות לרציף העמסה. כאן, תבנית האלומה הרחבה יחסית של 40° ×‏ 40° מקלה על מציאת מיקום להרכבה השומר את הרציף בתחום שדה הראייה.

ה-Q90R2-12040-6KDQ (איור 2) מתבסס על יכולות אלו עם שדה ראייה רחב הניתן להגדרה (120? × 40?) והיכולת לעקוב אחר שתי מטרות, דבר המאפשר לו להתמודד עם תרחישי חישה מורכבים יותר.

איור 2: חיישן המכ"ם Q90R2-12040-6KDQ FMCW פועל במהירות של 60 גיגה-הרץ, יכול לעקוב אחר שתי מטרות ויש לו שדה ראייה רחב הניתן להגדרה. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

בחירת מכ"ם עבור יישומי אלומה צרה

ביישומים מסוימים, על המכ"ם למצוא מטרה קטנה. במקרה זה, חיישן מסדרת T30R (איור 3) הוא בחירה טובה. לחיישנים אלו יש תבנית אלומה של 15° ×‏ 15° או 45° ×‏ 45°, תדר פעולה של GHz‏ 122‏, תחום חישה של 25 מטר, שטח מת של 100 מ"מ ושני אזורי חישה ניתנים להגדרה.

עם תבנית האלומה הצרה ותדר הפעולה הגבוה שלה, משפחת חיישנים זו מציעה גילוי מדויק באזורים ספציפיים. לדוגמה, הם יכולים לשמש לניטור מפלסים בתוך מכלים צרים.

איור 3: סדרת T30R פועלת במהירות של GHz‏ 122‏, היא בעלת אלומה של 15° × 15° ומציעה גילוי מדויק. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

גרסת T30RW מגיעה במארז IP69K המתאים לסביבות שטיפה בלחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה כגון שטיפת מכוניות. היא בעלת תחום חישה של 15 מטר ותבנית אלומה של 15° × 15°.

בחירת חיישן מכ"ם עבור משוב ויזואלי

בעוד שחיישני מכ"ם משתלבים בדרך כלל במערכות אוטומציה גדולות יותר, מחוון סטטוס במבט-אחד עשוי להיות מועיל. בתחנת טעינה לרכב חשמלי (EV), לדוגמה, תצוגה ויזואלית יכולה לעזור לנהגים למקם נכון את רכבם.

עבור יישומים כגון אלו, לנורות ה-LED המובנות בסדרת K50R יש תפקיד רב-ערך.

ראויים לציון במיוחד דגמי ה-Pro, כמו ה-K50RPF-8060-LDQ (איור 4), המציעים תצוגה צבעונית וקלה להבנה.

איור 4: סדרת K50RPF-8060-LDQ משלבת נורות LED עבור משוב ויזואלי. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

המפרט העיקרי עבור סדרת K50R כולל תדר פעולה של GHz‏ 60‏, תחום חישה של 5 מטר, שטח מת של 50 מ"מ, שני אזורי חישה ניתנים להגדרה ותבניות אלומה של 80° × 60° או 40° × 30°.

בחירת חיישן מכ"ם עבור מרחקים ארוכים

עבור יישומים הדורשים חישה על פני מרחקים ארוכים יותר, מכ"ם הפועל ב-GHz‏ 24‏ הוא לרוב הבחירה הטובה ביותר. להתקנים אלה בעלי התדר הנמוך יותר, כגון סדרת QT50R, יש תחום חישה של 25 מטר שהוא רב-ערך עבור יישומים כגון הימנעות מהתנגשויות עבור ציוד נייד. לסדרה יש גם אזור חישה אחד או שניים הניתנים להגדרה ותבנית אלומה של 90° × 76°. השטח המת שלה הוא 400 מ"מ עבור אובייקטים נעים ו-1,000 מ"מ עבור אובייקטים נייחים.

מאפיין בולט של ה-QT50R היא יכולתה להיות מוגדרת באמצעות מתגי DIP. דבר זה מאפשר הגדרה פשוטה בשטח. עם זאת, יישומים מסוימים דורשים הגדרות תצורה מתוחכמות יותר.

לדוגמה, החיישן Q130R (איור 5) מיועד ליישומים הדורשים יכולות גילוי מתוחכמות ואפשרויות תצורה מתקדמות. הוא פועל ב-GHz‏ 24‏, בעל תחום חישה של 40 מטר, תבנית אלומה של 90° × 76° או 24° × 50°, שטח מת של 1,000 מ"מ, ומספק גילוי מדויק של אובייקטים נעים ונייחים.

איור 5: חיישן המכ"ם Q130R מיועד ליישומים הדורשים יכולות גילוי מתוחכמות ומספק גילוי מדויק של אובייקטים נעים ונייחים. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

יש לציין כי ה-Q130R משתמש בממשק משתמש גרפי (GUI) מבוסס PC עבור הגדרות מורכבות וכוונון עדין. לדוגמה, הוא יכול לשמש עבור משוב מיקום במסוף מטעני רכבות עמוס. ביישום זה, ניתן להגדיר את החיישן כך שיתעלם מרכבות החונות ברקע על מסילה אחת תוך זיהוי רכבות אחרות כשהן חולפות לפניו.

סיכום

חיישני מכ"ם מסוגלים לפעול באופן ייחודי במגוון רחב של תנאי סביבה חיצוניים וקשים. כדי למקסם את היתרונות של טכנולוגיית המכ"ם, חיוני לנתח את דרישות היישום ולבחור חיישן עם תדר הפעולה ועקום האלומה הנכונים, בין שאר המפרטים. עם מכ"ם שנבחר היטב, ניתן להתמודד עם יישומי חישה מרחוק מאתגרים רבים.