Čidla vzdálenosti
(134)Čidla vzdálenosti jsou elektronické prvky, které se běžně používají v mnoha oblastech průmyslu. Především v průmyslové automatizaci a robotice – i když se s nimi běžně setkáváme v každodenním životě. Mnoho zařízení a strojů, jako jsou auta či výtahy, obsahuje čidla vzdálenosti, která umožňuji realizaci vybavení a bezpečnostní funkce, může to být např. parkovací asistent nebo adaptivní tempomat. V industriálních podmínkách umožňují čidla vzdálenosti zjistit polohu objektu na výrobní/dopravní lince, polohovat objekt umístěný v obráběcím stroji, určit jeho rozměry atd. Konstruktéři a projektanti vybírají vhodný druh komponenty v těsné závislosti na charakteristice aplikace, požadované přesnosti, rychlosti práce a systému, ve kterém bude čidlo plnit svou roli. Podívejme se na základní parametry čidel, které je třeba mít při hledání vhodného řešení na zřeteli.
Jak čidla vzdálenosti fungují – technologie a rozdělení na druhy
Čidla vzdálenosti se skládají za tří prvků: řídicího obvodu, emitoru a přijímače. Řídicí obvod pomocí vysílače vysílá signál (akustický, elektromagnetický) a následně „čeká“, až se vlna odrazí od nejbližšího povrchu a přijímač ji zaregistruje. Měření může být provedeno dvěma způsoby. (1) Z údajů času a rychlosti šíření vlny vypočítává řídicí obvod vzdálenost, jakou signál uběhl, a následně vysílá tuto informaci do nadřazeného systému. (2) Jinou metodou je záznam intenzity odraženého světle (čím slabší je vracející se vlna, tím větší vzdálenost čidlo registruje). Základní rozdělení čidel se provádí právě podle druhu emitovaného signálu.
Laserové čidlo vzdálenosti
Nepochybnou předností laserových čidel je přesnost a dosah: emitovaný paprsek je vysílán do přesně určeného bodu a jeho dobré šíření umožňuje detekovat objekty nacházející se ve vzdálenosti až několika desítek metrů. Přičemž kmitočet vzorkování může být několik stovek hertzů. V projektech, ve kterých cena použité komponenty nehraje klíčovou roli, bude laserové čidlo vzdálenosti obvykle nejlepším možným řešením.
Infračervená a reflexní čidla vzdálenosti
„Reflexní“ čidlo je trochu matoucí označení, když se – jak bylo popsáno výše – detekce vzdálenosti provádí na principu odrazu nějakého druhu signálu. Komponenty těchto typů využívají diodu emitující IR záření (tj. infračervené) a detektor, např. fototranzistor. Ve srovnání s laserovým paprskem je signál slabší a rozptýlený. Z jedné strany to omezuje přesnost měření a maximální vzdálenost, z druhé strany umožňuje konstruovat čidla, která detekují objekty nacházející se ve značně širším poli (lze se shodnout na označení jako „zorné pole čidla“). Sensory tohoto druhu se používají mj. jako „detektory srázu” (angl.cliff sensors), které zabraňují, aby stroj spadl – v této roli se vyskytují např. v robotických vysavačích. Zlepšení dosahu a přesnosti se dosahuje použitím řady čidel (angl. sensor array) v každém modulu. Obvod vybavený mnoha výstupy umožňuje např. detekovat pohyb paralelní s rovinou čidla (měření rychlosti). Je zde třeba poznamenat, že reflexní čidla, která registrují intenzitu vracejícího se signálu, se skvěle hodí pro detekci tmavých povrchů, pohlcujících světlo. Používají se proto pro detekci čar natištěných na ploše nebo počítání impulsů v enkodérech kontrolujících rychlost otáčení a polohu osy (štěrbinová čidla).
Ultrazvukové čidlo vzdálenosti
Ultrazvuková čidla, na rozdíl od výše popisovaných fotodetektorů, využívají šíření akustických vln. Toto řešení má několik předností. Především může čidlo detekovat objekty vyrobené z průhledných materiálů a také tekutiny. Jako prozaický příklad použití může posloužit obvod monitorující hladinu vody v nádrži. Jelikož piezoelektrický vysílač vibruje – vedlejším efektem (ale žádoucím) jeho funkce je čištění čidla, zvláště od prachu a náletů. V případě laserového čidla by podobné zašpinění mohl vést k chybným výsledků. Ultrazvuková čidla se snadno implementují, patří rovněž k cenově dostupným výrobkům, díky čemu se těší popularitě mezi konstruktéry-amatéry, zvláště při stavbě samohybných robotů (detekce překážek).
Interfejs čidla vzdálenosti
Druhou, klíčovou otázkou, kterou je třeba brát do úvahy při výběru čidla vzdálenosti, je druh interfejsu. Základní rozdělení je samozřejmě na analogový nebo číslicový výstup.
Analogový výstup
Díky analogovému výstupu (proudovému nebo napěťovému) má řídicí obvod (např. mikrokontrolér) bezprostřední přístup k údajům z čidla a může je podrobit analýze, zkorigovat, zkalibrovat, kompenzovat s ohledem na vlivy prostředí. Usnadňuje to rovněž programovou kalibraci čidla. Navíc může konstruktér využít analogový signál pro generování přerušení, na jehož základě vyvolá překročení zadané hodnoty okamžitou reakci řídicího obvodu. S analogovým interfejsem se nejčastěji setkáváme v případě reflexních čidel – výstupem může být např. kolektor fototranzistoru.
Číslicový interfejs
Nepochybnou předností číslicových rozhraní je jejich odolnost vůči elektromagnetickému vyzařování a snížení počtu nutných vodičů. V případě analogového interfejsu zabírá každé čidlo jeden vývod kontroléru (příp. multiplexeru, A/C převodníků). Použití takové metody přenosu, jako např. I2C dovoluje (teoreticky) připojit k jednomu vývodu doslova stovky čidel. Číslicové interfejsy jsou žádaným řešení v průmyslových podmínkách, jelikož umožňují snadnou integraci do stávajících řídicích systémů.
Sklad:
