Primul senzor de mișcare a fost inventat în anul 1950 de Samuel Bango (tehnician militar), numit alarmă antiefracție. El a aplicat elementele de bază ale unui radar în domeniul civil, cu unde având frecvență pe care ființele umane nu o pot auzi, pentru sesiza o efracție. Dacă există vreo perturbare, în modelul undelor − când se întorc la receptor, „detectorul” știe că a existat mișcare în cameră − și sună alarma. Senzorul de mișcare se baza pe principiul „Efectului Doppler”. În prezent, majoritatea senzorilor de mișcare funcționează pe principiul detectorului lui Samuel Bango. Senzorii detectează mișcarea prin modificările frecvențelor sau a diferențelor de timp între un semnal emis într-un spațiu și cel reflectat, datorită intrării într-o zonă vizuală a unor ființe sau obiecte.
Senzorii de mișcare și de proximitate se folosesc în sistemele de securitate în birouri, bănci, centre comerciale, depozite, ca alarmă la domiciliu … dar și în procese tehnologice. Prin detectarea de mișcare și distanță se pot supraveghea zone protejate, monitoriza locuri publice, se poate asigura iluminatul economic, se pot evita accidente și se pot controla procese de fabricație.
Tipuri de senzori de mișcare
Un senzor de mișcare este un dispozitiv care observă ființe sau obiecte în mișcare într-un spațiu și alertează un utilizator.
Sunt disponibile pe piață diferite tipuri de senzori de mișcare, care au avantajele și dezavantajele lor. Aceste tipuri sunt: PIR, cu ultrasunete, cu microunde, tomografice și combinate.
Senzori infraroșu pasiv (PIR)
Toate animalele cu sânge cald produc radiații IR. Senzorii în infraroșu pasivi includ un material subțire de film piroelectric, care răspunde la radiațiile IR, generând electricitate. Acești senzori sunt economici, nu consumă multă energie și au durată mare de viață, fiind utilizați în mod obișnuit în alarmele interioare.
Senzorul PIR are în sine câte 2 sloturi, fiecare slot fiind realizat dintr-un material special sensibil la IR − infraroșu. Cele două sloturi pot „vedea” secțiuni (de 10°) într-o zonă, până la anumite distanțe (practic sensibilitatea senzorului). Când senzorul este inactiv, ambele sloturi detectează aceeași cantitate de IR, cantitatea ambientală radiată din cameră sau pereți sau în aer liber. Când trece un corp cald, acesta este interceptat mai întâi de jumătate din senzorul PIR, determinând o schimbare diferențială pozitivă între cele două jumătăți. Când corpul cald părăsește zona de detectare, se întâmplă invers, iar senzorul generează o schimbare diferențială negativă. Aceste impulsuri de schimbare reprezintă semnalul util generat de detector. Un obiectiv Fresnel (realizat din plastic ieftin) condensează lumina, oferind senzorului o gamă largă de IR.
Senzori cu ultrasunete
Senzorii cu ultrasunete pot fi pasivi sau activi. Senzorul pasiv acordă atenție sunetelor specifice, cum ar fi metal pe metal, spargerea sticlei. Senzorul pasiv e un microfon foarte sensibil, dar adesea scump și predispus la alarme false. Senzorul activ generează impulsuri de undă ultrasonică (undă sonoră) și apoi recepționează reflexia acestor unde de pe un obiect în mișcare.
Senzori cu microunde
Senzor cu ultrasunete
Denumiți și senzori radar, utilizează efectul Doppler (descoperit în 1842) ce se referă la diferența aparentă între frecvența la care undele acustice sau luminoase părăsesc o sursă și cea la care ajung la un observator, cauzată de mișcarea relativă a observatorului și a sursei de undă.
Acești senzori generează impulsuri de microunde și apoi calculează reflexia de la obiecte, pentru a ști dacă obiectele se mișcă sau nu. Senzorii cu microunde sunt foarte sensibili, pot vedea obiecte nemetalice, dar pot fi detectate și obiecte în mișcare în afara zonei țintă. Consumă multă energie, astfel încât acești senzori sunt deseori proiectați să pornească și să se oprească, ciclic.
Pot “observa” prin pereți și și prin obiecte fixe, fiind așezați astfel încât să se formeze o plasă cu unde radio care acoperă suprafețe mari. Acești senzori sunt scumpi, deci sunt utilizați în mod normal în unități de depozitare și în alte situații care necesită un nivel comercial de securitate.
Obiectele metalice nu pot fi pătrunse, deci nu poate exista un obiect metalic în fața senzorului cu microunde, când este instalat. Senzorii cu microunde se folosesc în principal la controlul inteligent al iluminării.
Senzori tomografici
Tehnologia TMD (Tomographic Motion Detection) utilizează rețele wireless care pătrund prin materiale solide, ceea ce face ca sistemul să aibă succes chiar și atunci când dispozitivele sunt plasate în spatele pereților, mobilierului și alte obstacole. Sunt diferiți de senzorii tradiționali de microunde prin faptul că detectarea nu depinde de reflexiile undelor radio. Detectarea tomografică provine din nodurile comunicante dintr-o rețea de plasă care simt perturbarea undelor când trec printr-o zonă definită. Detectarea mișcării tomografice oferă o securitate de acoperire completă, imbatabilă, care detectează mișcarea prin pereți și rezolvă golurile din întreaga industrie în medii murdare și aglomerate, protecție a activelor de înaltă valoare și zone sensibile din punct de vedere estetic.
Tipuri combinate de senzori de mișcare
Unele tipuri de detectoare de mișcare amestecă senzori de diverse tipuri pentru a reduce alarmele false. Dar, senzorii duali sunt activați numai atunci când ambele tipuri simt mișcarea. De exemplu, un senzor dublu, cu microunde plus PIR, va porni pe setarea senzorului infraroșu pasiv, deoarece acesta consumă mai puțină energie. Când senzorul infraroșu pasiv este declanșat, diviziunea senzorului cu microunde va porni; apoi, dacă și senzorul rămas s-a declanșat, se va genera alarma.
Detectare bazată pe ultrasunete
Cum funcționează senzorii cu ultrasunete?
Principiul de funcționare este simplu. Senzorii cu ultrasunete funcționează prin trimiterea unei unde sonore la o frecvență peste intervalul auzului uman. Traductorul senzorului acționează ca un microfon. Senzorii cu ultrasunete folosesc un singur traductor pentru a trimite un impuls și pentru a primi ecoul.
Se trimite un impuls cu ultrasunete la 40kHz care se deplasează prin aer și, dacă există un obstacol sau obiect, va reveni la senzor. Calculând timpul de călătorie, știind viteza undei, distanța poate fi calculată.
Calculul distanței
Distanța L = 1/2 × T × C,
unde: L − distanța, T − timpul dintre emisie și recepție (timpul pentru distanța de mers și întoarcere), iar C − viteza undelor.
Caracteristicile tipice
- Undele ultrasonice se pot reflecta pe o suprafață de sticlă sau lichid și pot reveni la capul senzorului. Deci pot detecta și ținte transparente, de exemplu, nivelul unui lichid.
- Detectarea nu este afectată de acumularea de praf sau murdărie.
- Detectarea prezenței este stabilă chiar și pentru ținte complexe, precum tăvi de plasă sau arcuri.
Cum se utilizează senzorii cu ultrasunete?
Senzorii ultrasonici de distanță, nivel și proximitate sunt utilizați în mod obișnuit cu platforme de microcontroler precum Raspberry Pi, ARM, PIC, Arduino, Beagle Board și multe altele.
Senzorii cu ultrasunete sunt utilizați și în sistemele de evitare a obstacolelor, precum și în fabricare.
De ce să folosiți un senzor cu ultrasunete?
Detecția cu ultrasunete este fiabilă în orice mediu de iluminare și poate fi utilizată în interior sau în exterior. Senzorii cu ultrasunete sunt utilizați cel mai bine în detectarea fără contact: prezență, nivel, poziție, distanță.
Senzorii fără contact sunt denumiți și senzori de proximitate.
Ultrasonicele sunt independente de: lumină, fum, praf, culoare, material (cu excepția suprafețelor moi, gen țesătură, deoarece se absoarbe valul sonor cu ultrasunete și nu se reflectă)
Detectarea pe distanțe lungi a țintelor cu proprietăți de suprafață variate.
Senzorii cu ultrasunete sunt superiori senzorilor cu infraroșu, deoarece nu sunt afectați de fum sau de materialele negre. Dar, materialele moi care nu reflectă foarte bine undele ultrasonice pot cauza probleme. Nu este un senzor perfect, dar este util și fiabil.
Aplicații care implică detectarea cu ultrasunete:
Măsurarea cu ultrasunete a distanței. Senzorii sunt folosiți ca monitoare de nivel (de exemplu, rezervor de materiale solide granulate (cereale), bazin cu lichide (apă, chimicale)) și de detectare a zonei de proximitate (precum măsurarea distanței de parcare în garaj).
Detectarea persoanelor. Persoane care se apropie de o zonă supravegheată și detectarea prezenței oamenilor într-un mediu, cum ar fi o galerie de artă. Oamenii sunt în mod tradițional o țintă pentru senzorii cu ultrasunete.
Caracteristicile senzorilor ultrasonici bazați pe timpul de propagare (ToF – Time of Flight)
Senzorii Chirp TDK utilizează un mic cip transductor cu ultrasunete pentru a trimite un impuls cu ultrasunete și apoi ascultă ecourile care se întorc de la ținte în câmpul vizual al senzorului. Prin calcularea distanței pe baza ToF și a vitezei sunetului, senzorul poate determina distanța unui obiect față de un dispozitiv și poate declanșa un comportament programat. Acești senzori ToF sunt destinați segmentelor electronice de consum, AR/VR, robotică, drone, IoT, auto și segmente de piață industriale.
Comparația tehnologiilor de detectare a distanței
Cum se compară senzorii cu ultrasunete cu tehnologiile convenționale de detectare a distanței
Tehnologiile convenționale utilizate în mod obișnuit, pentru a măsura distanțele față de oameni/obiecte și pentru a-și stabili poziția, includ Bluetooth Low-Energy (BLE), trackere RFID, bandă ultra-largă (UWB) și senzori cu ultrasunete.
Care sunt cerințele cheie pentru aplicațiile din lumea reală a alarmelor de distanțare socială și a urmăririi contactelor în mediul actual? „Precizie în măsurarea distanței, consum redus de energie pentru o durată mai mare de viață a bateriei și un dispozitiv mic și de încredere cu avertismente false aproape zero”.
Aplicarea practică a unei soluții de distanțare socială utilizând un senzor cu ultrasunete
CH101, dezvoltat de Chirp TDK, este un senzor ultrasonic ToF (Time of Flight) care combină un traductor MEMS cu ultrasunete piezoelectric (PMUT), un procesor de semnal digital (DSP) eficient din punct de vedere energetic și un ASIC CMOS (cip de 3.5 mm × 3.5 mm). Traductorul cu ultrasunete transmite un impuls cu ultrasunete și primește înapoi o undă reflectată de obiect. Folosind acest Timp de propagare (ToF), distanța de la obiect poate fi detectată cu precizie. CH101 a realizat o miniaturizare remarcabilă în comparație cu senzorii cu ultrasunete convenționali, permițându-i integrarea în produse precum etichete portabile și ecusoane atașate lucrătorilor.
„Etichetele sau insignele pot sprijini atât alarmele de distanțare socială, cât și urmărirea contactelor.” David Horsley, cofondator și CTO al Chirp, discută despre caracteristicile așteptate ale unui dispozitiv pentru prevenirea infecției. Când doi muncitori, ambii purtând câte o etichetă, ajung la aproximativ 1.83 m unul de celălalt, etichetele pot emite un avertisment. În plus, încorporarea BLE în etichetă permite etichetei să înregistreze o întâlnire cu alții și să stocheze istoricul întâlnirilor într-o bază de date. Dacă se constată că un lucrător este infectat, se pot urmări toate contactele strânse cu acesta.
„Senzorii cu ultrasunete creează alerte fals pozitive aproape zero pentru distanțarea socială”, potrivit firmei Chirp. Deoarece ultrasunetele se propagă prin aer pentru a măsura distanța, nu detectează contactul dintre persoanele separate de pereți sau sticlă. Acest lucru contrastează cu UWB, care poate da falsuri pozitive, deoarece UWB emite unde radio care pot trece prin aceste bariere. Senzorii cu ultrasunete Chirp, care au obținut o precizie ridicată, miniaturizare și un consum redus de energie, sunt o tehnologie ideală pentru soluții menite să prevină infecția, prin distanțare socială.
Miniaturizarea − o miime din volumul tipurilor convenționale de senzori cu ultrasunete
TDK Invensense a extins gama senzorului său ultrasonic ToF la 5m pentru aplicații de distanțare socială.
Platforma de senzori CH201 ToF se extinde pe portofoliul inițial de produse CH101 și include senzori CH201 MEMS, module de senzori și kituri de dezvoltator.
PMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer) cu un SoC (System on Chip − sistem pe cip) de putere ultra-redusă într-un sistem miniatural de 3.5 × 3.5 mm, oferă măsurători precise de distanță pentru distanțe de până la 5 m pe un câmp larg și configurabil (Field of View − FoV) în orice condiție de iluminare.
CH101 oferă măsurători precise (milimetric) ale intervalului pentru scenarii de utilizare a cazurilor de până la 1.2 m, iar noul CH201 oferă măsurători exacte pe distanțe de până la 5 m. Tehnologiile cu ultrasunete MEMS ale Chirp utilizează senzori de gamă proprietari ToF cu un traductor cu ultrasunete MEMS și un procesor de semnal digital (DSP) cu consum redus de energie pe un ASIC de mică putere.
CH201 are consum total de putere extrem de redus, oferă măsurători precise de milimetru și funcționează în orice condiții de iluminare, de la lumina soarelui până la întuneric complet, independent de culoarea țintei și de transparența optică. CH101, CH201 au un câmp de vizualizare configurabil (FoV) și un DSP flexibil capabil să gestioneze o varietate de algoritmi de procesare a semnalului cu ultrasunete.
Kitul de dezvoltator DK-CH201 oferă prototipuri cu unul sau mai mulți senzori ToF. DK-CH201 include un CH201 cu opțiunea de a adăuga până la patru module ultrasonice suplimentare.
Notă. Terminologie
- Senzor cu ultrasunete: un senzor care detectează distanța față de un obiect emițând impulsuri cu ultrasunete și măsurând timpul de propagare (ToF – Time-of-Flight) necesar pentru ca acestea să fie reflectate înapoi.
- Bluetooth cu consum redus de energie (BLE): o parte a standardului Bluetooth, tehnologia de comunicații fără fir cu rază scurtă de acțiune. Datorită consumului redus de energie și a costului redus, este o tehnologie de comunicație pentru dispozitivele din IoT.
- Tracker RFID: o tehnologie care afișează informații despre locație în timp real prin primirea informațiilor înregistrate pe etichetele RFID (Radio Frequency Identification) cu un receptor din apropiere.
- Ultra-wideband: O formă de comunicație fără fir care utilizează o lățime de bandă extrem de mare de peste 20% sau mai mult de 500 MHz.
- PMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer): un element bazat pe MEMS care emite ultrasunete piezoelectric.
- DSP (Procesor de Semnal Digital): un microprocesor special conceput pentru a procesa semnale digitale.
Platforma SmartSonic este disponibilă cu premiatul senzor ultrasonic CH-101, independent de culoarea și transparența țintei. Modulul senzorului ultrasonic ToF CH-101 (MOD_CH101) conține un senzor CH-101 pe o placă de circuite imprimate mici (PCB) cu conector plat flexibil (FFC) și o carcasă acustică deasupra care permite un model de fascicul omnidirecțional al ieșirii.
Modulul senzor CH-101 se conectează direct la setul de evaluare pentru dezvoltatori SmartSonic ™ (DK-CH101) pentru evaluarea inițială a produsului utilizând software-ul SonicLink ™, care poate fi utilizat și de clienți pentru a dezvolta algoritmi încorporați pentru aplicații specifice.
https://invensense.tdk.com/products/ch201/#documentation
Modulul senzor EV_MOD_CH101-03-01 oferă integrarea rapidă a senzorului CH-101 Chirp cu ultrasunete bazat pe ToF în produsele clienților. Este util în special pentru prototipare și producție la scară mică în aplicații care nu sunt extrem de limitate de spațiu. Se conectează prin conector standard 8 pini cu cablu flexibil plat (FFC). Modulul senzor EV_MOD_CH101-03-01 include o carcasă acustică omnidirecțională cu un port acustic cu Ø 0,7 mm și un diametru exterior de 5.3 mm. Există disponibile diferite carcase acustice pentru reglarea câmpului vizual.
TDK InvenSense MOD_CH101 Modul senzor de distanță
Modulul MOD_CH101 este conceput pentru integrarea rapidă a CH101 − senzor cu ultrasunete (ToF) al Chirp. Modulul MOD_CH101 este rapid și oferă măsurători precise ale distanței către ținte la distanțe cuprinse între 4 cm și 1.2m.
MOD_CH101 funcționează alimentat la 1.8 V într-un interval de temperatură de la -40°până la 85°C. Un microcontroler cu consum redus integrează moduri programabile optimizate pentru aplicații de detectare cu rază medie și scurtă, câmp de vizualizare (FoV) personalizabil până la 180°, funcționând în lumina soarelui și în orice alte condiții de iluminare. Capsula PCBA de 8 mm × 8 mm × 3.57 mm are o deschidere a capacului cu 1 orificiu. Aplicațiile tipice includ realitatea augmentată și virtuală, dronele și robotica, dispozitivele mobile și de calcul, evitarea obstacolelor, imprimantele și scanerele și detectarea proximității.
TDK InvenSense MOD_CH201 Modul senzor de distanță
CH201 e un senzor cu ultrasunete în miniatură, cu putere ultra-mică și cu rază lungă de acțiune 20cm la 5m, care se bazează pe tehnologia MEMS patentată de Chirp. Acest senzor este livrat într-o capsulă miniaturală care integrează traductorul cu ultrasunete piezoelectric cu ultrasunete (PMUT), împreună cu un sistem pe cip (SoC). Placa modulului cu senzor cu ultrasunete CH201 are un ansamblu acustic de 45° FoV, un condensator și un conector FFC.
TDK InvenSense DK-CH201. Instrument de dezvoltare a senzorului de distanță, echipat cu un senzor CH201 integrat și până la patru module externe de senzori CH201 sau CH101. Aceste module pot fi conectate la placa prin cabluri plate-flex pentru prototipare ușoară. Acest instrument de dezvoltare este construit în jurul sistemului MCU Atmel SAMG55 Cortex-M4 și poate fi utilizat pentru evaluarea și dezvoltarea rapidă a soluțiilor bazate pe CH201. Instrumentul DK-CH201 include un depanator încorporat, astfel încât instrumentele externe nu sunt necesare pentru a programa sau depana MCU SAMG55. Instrumentul de dezvoltare vine cu software-ul necesar, inclusiv SonicLink, un instrument de dezvoltare bazat pe GUI și drivere încorporate pentru CH201. Aplicațiile tipice includ drone și robotică, realitate augmentată/virtuală și jocuri, evitarea obstacolelor și controlul gesturilor.
Autor:
Constantin Savu
Director General – Ecas Electro
DESPRE AUTOR
Dl. Constantin Savu este inginer electronist cu o experiență de peste 30 ani în domeniul componentelor electronice și al selectării acestora pentru aplicații. Fiind bun cunoscător al componentelor și al tehnologiei de fabricație a modulelor electronice cu aplicații în domeniile industrial și comercial, coordonează direct producția la firma de profil Felix Electronic Services.
ECAS Electro asigură aprovizionarea cu produse TDK.
Detalii tehnice
Ing. Emil Floroiu | emil@floroiu.ro
birou.vanzari@ecas.ro