ข้อควรพิจารณาในการออกแบบสำหรับการเลือกเทคโนโลยีพร็อกซิมิตีเซ็นเซอร์

เทคโนโลยีพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์ชั้นนำนั้นมีมากมาย เทคโนโลยีแต่ละแบบมีมาตรฐานการทำงานที่แตกต่างกันมาก และมีจุดแข็งต่างกันในด้านการตรวจจับ ระยะทาง หรือระยะใกล้ บทความนี้จะสรุปสี่ตัวเลือกที่เป็นไปได้สำหรับระบบฝังตัวขนาดกะทัดรัดและอยู่กับที่ รวมทั้งหลักการทำงานพื้นฐาน เพื่อช่วยวิศวกรตัดสินใจว่าจะเลือกตัวเลือกใด โดยขึ้นอยู่กับความต้องการในการออกแบบของพวกเขา

พร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์ให้วิธีการที่แม่นยำในการตรวจจับการมีอยู่และระยะห่างของวัตถุโดยไม่ต้องสัมผัส เซ็นเซอร์จะปล่อยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า แสง หรือคลื่นเสียงอัลตราโซนิกที่สะท้อนหรือทะลุผ่านวัตถุและกลับสู่เซ็นเซอร์ ประโยชน์ที่สำคัญที่พร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์มีมากกว่าลิมิตสวิตช์ทั่วไปคือมีความทนทานและใช้งานได้ยาวนานกว่า เนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนทางกล

เมื่อศึกษาเทคโนโลยีพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์ในอุดมคติในด้านการใช้งานจำเพาะ ต้นทุน ช่วงการใช้งาน ขนาด อัตราการรีเฟรช หรือเวลารับส่ง รวมทั้งการคำนึงถึงผลกระทบของวัสดุ และนำมาพิจารณาว่าสิ่งใดที่สำคัญที่สุดสำหรับการออกแบบ

อัลตราโซนิก

พร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์แบบอัลตราโซนิกจะปล่อยสัญญาณเสียงอัลตราโซนิกตามชื่อของมัน โดยเรียกสัญญาณเสียงนั้นว่า 'Chirp' เพื่อตรวจจับการมีอยู่ของวัตถุ และยังสามารถใช้ในการคำนวณระยะทางจากเซ็นเซอร์ไปยังวัตถุได้อีกด้วย เซ็นเซอร์ประกอบด้วยตัวส่งและตัวรับ โดยมีหน้าที่ขึ้นอยู่กับหลักการการสะท้อนกลับ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: วิธีการทำงานของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก (ที่มาของภาพ:Same Sky)

เซ็นเซอร์จะสามารถระบุได้ว่าวัตถุนั้นอยู่ไกลแค่ไหน จากการวัดระยะเวลาที่ใช้ในการส่งสัญญาณไปกระทบพื้นผิวและย้อนกลับมา ซึ่งมักเรียกกันว่า 'Time of Flight' (ToF) โดยปกติตัวส่งและตัวรับจะอยู่ใกล้กัน แต่ยังคงใช้หลักการสะท้อนกลับ เมื่อตัวส่งและตัวรับแยกจากกัน ในบางกรณีฟังก์ชันการส่งและรับจะรวมกันในตัวเดียว อุปกรณ์เหล่านี้เรียกว่าเครื่องรับส่งสัญญาณอัลตราโซนิก

การใช้คลื่นเสียงแทนที่จะเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้การอ่านเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกจะไม่ได้รับผลกระทบจากสีและความโปร่งใสของวัตถุ นอกจากนั้นเซ็นเซอร์ดังกล่าวยังมีประโยชน์เพิ่มเติมคือการไม่ก่อให้เกิดแสง ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่มืดหรือแม้แต่ในที่ที่มีแสงสว่างจ้า คลื่นเสียงสร้างการแพร่กระจายตามเวลาและระยะทาง คล้ายกับระลอกคลื่นในน้ำ และทำให้พื้นที่การตรวจจับหรือขอบเขตการมองเห็น (FoV) นั้นกว้างขึ้น ซึ่งถือได้ว่าเป็นทั้งจุดแข็งหรือจุดอ่อนขึ้นอยู่กับการใช้งาน อย่างไรก็ตามด้วยความแม่นยำในระดับดี อัตราการรีเฟรชที่ค่อนข้างสูง และมีศักยภาพในการส่งสัญญาณเสียงหลายร้อยครั้งต่อวินาที พร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์แบบอัลตราโซนิกให้โซลูชันที่คุ้มค่า ใช้งานได้หลากหลาย และปลอดภัย

ข้อเสียเบื้องต้นอีกประการหนึ่งของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกคือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของอากาศจะส่งผลต่อความเร็วของคลื่นเสียงซึ่งจะลดความแม่นยำของการวัด อย่างไรก็ตามสิ่งนี้สามารถแก้ไขได้โดยการวัดอุณหภูมิในระยะระหว่างตัวส่งและตัวรับ และปรับการคำนวณตามอุณหภูมิดังกล่าว ข้อจำกัดอื่น ๆ ได้แก่ ไม่สามารถใช้เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกในสุญญากาศที่ไม่มีอากาศเป็นตัวกลางส่งสัญญาณเสียง วัสดุที่อ่อนนุ่มจะสะท้อนเสียงได้มีประสิทธิภาพน้อยกว่าพื้นผิวแข็ง ซึ่งอาจส่งผลต่อความแม่นยำ สุดท้ายแม้ว่าเทคโนโลยีเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกจะใช้แนวคิดเดียวกันกับคลื่นโซนาร์ แต่ก็ไม่สามารถทำงานใต้น้ำได้

โฟโตอิเล็กทริค

สำหรับการตรวจจับว่ามีหรือไม่มีวัตถุ โฟโตอิเล็กทริคเซ็นเซอร์เป็นตัวเลือกที่ใช้งานได้จริง โดยปกติแล้วจะเป็นเซ็นเซอร์แบบที่ใช้อินฟราเรด โดยมีการใช้งานทั่วไปรวมถึงเซ็นเซอร์ประตูโรงรถหรือการนับจำนวนคนในร้านค้า และเหมาะสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมอื่น ๆ ที่หลากหลาย

โฟโตอิเล็กทริคเซ็นเซอร์มีวิธีการใช้งานที่หลากหลาย (รูปที่ 2) ลำแสงทะลุผ่านจากตัวปล่อยแสงที่ด้านหนึ่งของวัตถุและมีตัวตรวจจับอยู่ตรงข้าม หากลำแสงขาดแสดงว่ามีวัตถุอยู่ ในการสะท้อนกับแผ่นสะท้อน ตัวปล่อยแสงและตัวตรวจจับตั้งอยู่รวมกัน โดยมีตัวสะท้อนแสงอยู่ตรงข้าม ในทำนองเดียวกับการจัดเรียงแบบสะท้อนกับวัตถุก็มีตำแหน่งของตัวปล่อยแสงและตัวตรวจจับอยู่รวมกัน แต่แสงที่ปล่อยออกมาจะสะท้อนออกจากวัตถุที่ตรวจพบแทน รูปแบบนี้ไม่สามารถวัดระยะทางได้

รูปที่ 2: โฟโตอิเล็กทริคเซ็นเซอร์ - ลำแสงทะลุผ่าน สะท้อนกับแผ่นสะท้อน และสะท้อนกับวัตถุ (แหล่งรูปภาพ: Same Sky)

รูปแบบการใช้งานโฟโตอิเล็กทริคเซ็นเซอร์แบบลำแสงทะลุหรือสะท้อนกับแผ่นสะท้อนนั้นเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการช่วงการตรวจจับที่มากขึ้นและมีเวลารับส่งต่ำ อย่างไรก็ตามเนื่องจากจำเป็นต้องติดตั้งและปรับตำแหน่งอย่างระมัดระวัง การติดตั้งระบบในสภาพแวดล้อมที่วุ่นวายจึงเป็นสิ่งที่ท้าทาย การใช้งานแบบสะท้อนกับวัตถุเหมาะสำหรับการตรวจจับวัตถุขนาดเล็กและยังสามารถเป็นอุปกรณ์ตรวจจับแบบเคลื่อนที่ได้อีกด้วย

โฟโตอิเล็กทริคเซ็นเซอร์สามารถใช้ในสภาพแวดล้อมที่สกปรก ซึ่งมักพบทั่วไปในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม และโดยทั่วไปมักมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าเซ็นเซอร์แบบอื่น ๆ เนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ตราบใดที่มีการปกป้องและรักษาความสะอาดเลนส์ ประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ก็จะยังคงอยู่ แม้ว่าจะสามารถตรวจจับวัตถุส่วนใหญ่ได้ แต่ปัญหาอาจเกิดขึ้นกับพื้นผิวและน้ำที่โปร่งใสและสะท้อนแสงได้ ข้อจำกัดอื่น ๆ ได้แก่ การคำนวณระยะทางที่แม่นยำ และการตรวจจับวัตถุที่มีสีเฉพาะ เช่น สีแดงหากใช้รังสีอินฟราเรด ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิดแสง

ตัววัดระยะด้วยเลเซอร์

การวัดระยะด้วยเลเซอร์ (LRF) เป็นตัวเลือกที่มีราคาแพงในอดีต แต่ปัจจุบันกลายเป็นโซลูชันที่ใช้งานได้จริงสำหรับการใช้งานหลายประเภท เซ็นเซอร์กำลังสูงทำงานโดยใช้หลักการเดียวกับเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก แต่ใช้แสงเลเซอร์แทนคลื่นเสียง

เนื่องจากโฟตอนเดินทางด้วยความเร็วสูง การคำนวณ ToF อย่างแม่นยำจึงอาจเป็นเรื่องยาก ซึ่งเทคนิคต่าง ๆ เช่น การใช้อินเตอร์เฟอโรเมทรีสามารถช่วยคงความแม่นยำและลดต้นทุนได้ในเวลาเดียวกัน (รูปที่ 3) ข้อดีอีกประการของเซ็นเซอร์ค้นหาระยะด้วยเลเซอร์คือ เนื่องจากใช้ลำแสงแม่เหล็กไฟฟ้า เซ็นเซอร์มักจะมีช่วงการใช้งานที่ยาวอย่างเหลือเชื่อ (สูงถึงหลายพันฟุต) และมีเวลาตอบสนองน้อยที่สุด

รูปที่ 3: การใช้เซ็นเซอร์วัดระยะด้วยเลเซอร์โดยใช้อินเตอร์เฟอโรเมตรี (แหล่งรูปภาพ: Same Sky)

แม้ว่าเซ็นเซอร์เหล่านี้จะมีเวลารับส่งที่ต่ำมากและมีช่วงการใช้งานกว้าง แต่ก็มีข้อจำกัดของตัวเอง เลเซอร์นั้นใช้พลังงานมาก ซึ่งหมายความว่าไม่เหมาะสำหรับการใช้งานแบบใช้แบตเตอรี่หรือแบบพกพา และมีปัญหาด้านความปลอดภัยเกี่ยวกับสุขภาพตาที่ควรพิจารณา ข้อควรพิจารณาอีกประการหนึ่งคือ FoV นั้นค่อนข้างแคบ และไม่สามารถใช้งานได้กับน้ำหรือแก้วเช่นเดียวกับโฟโตอิเล็กทริคเซ็นเซอร์ แม้ว่าราคาของเทคโนโลยีประเภทนี้จะลดลง แต่ก็ยังเป็นหนึ่งในตัวเลือกที่มีอยู่ที่แพงที่สุด

เหนี่ยวนำ

เซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำนั้นมีการใช้งานมาหลายปีแล้ว แต่กำลังกลายเป็นที่นิยมมากยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีนี้ต่างจากเทคโนโลยีการตรวจจับระยะใกล้อื่น ๆ ที่จะทำงานกับวัตถุที่เป็นโลหะเท่านั้น เนื่องจากตัวเซ็นเซอร์จะใช้สนามแม่เหล็กในการตรวจจับ (รูปที่ 4) การใช้งานทั่วไปจะเป็นเครื่องตรวจจับโลหะ

รูปที่ 4: วิธีการทำงานของเซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำ (แหล่งรูปภาพ: Same Sky)

ช่วงการตรวจจับของเซ็นเซอร์อาจแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับการตั้งค่า การใช้งานระยะสั้น เช่น การนับการหมุนของเฟืองโดยการตรวจจับเมื่อมีฟันเฟืองเข้าใกล้เซ็นเซอร์ การใช้งานที่ไกลกว่านั้นอาจเป็นการนับยานพาหนะโดยการฝังเซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำลงในพื้นผิวถนน หรือในระยะสูงสุดที่เซ็นเซอร์สามารถทำงานได้ เช่น การตรวจจับพลาสม่าในอวกาศ เนื่องจากเป็นพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์ เซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำมักจะถูกใช้งานในระยะสั้นมาก และให้อัตราการรีเฟรชที่เร็วมากได้ เนื่องจากอาศัยหลักการของการตรวจจับความแตกต่างในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า นอกจากนี้ยังทำงานได้ดียิ่งขึ้นในวัสดุที่เป็นเหล็ก เช่น เหล็กและเหล็กกล้า

เซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวเป็นโซลูชันที่คุ้มค่าในช่วงการวัดระยะไกล อย่างไรก็ตามจะต้องพิจารณาข้อจำกัดของวัสดุที่ตรวจจับได้พร้อมกับข้อเท็จจริงที่ว่าเซ็นเซอร์มีความอ่อนไหวต่อแหล่งสัญญาณรบกวนมากมาย

สรุป

เมื่อพิจารณาถึงความท้าทายในการใช้งานสำหรับการตรวจจับระยะ โดยรวมแล้วเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกมักเป็นเทคโนโลยีที่ดีที่สุด (ภาพที่ 5) ความสามารถในการตรวจจับการมีอยู่ของวัตถุที่มีต้นทุนต่ำ คำนวณระยะทางได้อย่างแม่นยำ และใช้งานง่ายเป็นคุณลักษณะที่ทำให้มีคะแนนนำ

รูปที่ 5: การเปรียบเทียบเทคโนโลยีพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์ทั้งสี่ (แหล่งรูปภาพ: Same Sky)

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกจาก Same Sky กรุณาเยี่ยมชม: Same Sky Ultrasonic Sensors