Sensorvergleich – Licht, Näherung, Bewegung

Über den Beitrag

Dieser Sensorvergleich ist der Abschluss meiner Reihe über Licht-, Gestik-, Bewegungs- und Abstandssensoren. Sicherlich gibt es noch viel mehr Sensoren, die in diese Kategorien fallen und die ich nicht behandelt habe. Dementsprechend kann meine Reihe natürlich nicht vollständig sein. Ich denke aber, dass ich die gängigsten Vertreter abgedeckt habe.

In den zurückliegenden Beiträgen bin ich systematisch Sensor für Sensor (mit Ausnahme der UV-Sensoren, die ich „am Stück“ behandelt habe) durchgegangen. In diesem Sensorvergleich sind hingegen die Funktionen das Ordnungsprinzip. Dabei haben viele der Sensoren mehrere Funktionen und tauchen deshalb häufiger in diesem Beitrag auf. Um folgende Modelle geht es:

Der große Sensorenvergleich
Der große Sensorenvergleich

Und hier die Links zu den Beiträgen:

Ein kleiner Hinweis noch bevor es gleich losgeht. Es gibt noch einen Nachtrag zu dieser Reihe. Dabei geht es darum, wie man einen IR Näherungssensor selber baut. Ihr findet den Beitrag hier.

Sensorvergleich – sichtbares Licht

Sensorvergleich sichtbares Licht: APDS9960, BH1750, TSL2561, AP3216, VL6180X, SI1145
Sensorvergleich sichtbares Licht: APDS-9960, BH1750, TSL2561, AP3216, VL6180X, SI1145

Die Problematik der Luxmessung

Die oben abgebildeten Sensormodule verwenden Fotodioden, um die Lichtstärke zu messen. Sie messen dazu die Fotospannung bzw. den Fotostrom, digitalisieren den Messwert und legen ihn in einem Datenregister ab, wo ihr per I2C auslesen könnt. Die Größe des gemessenen Wertes hängt u.a. von den Verstärkungsfaktoren, der Empfindlichkeit der Fotodiode und der Messdauer (meistens als Integration Time bezeichnet) ab. Mit Ausnahme des APDS-9960 gibt es für die Sensoren Berechnungsformeln, um aus dem blanken Messwert einen absoluten Wert in Lux zu berechnen.

Folgende Faktoren verkomplizieren jedoch die Luxberechnung:

  1. Übliche Lichtquellen haben einen mehr oder weniger großen, unsichtbaren Infrarotanteil (IR). Zu einem gewissen Grad sprechen die Fotodioden auf diese Strahlung an, wodurch man zu hohe Messwerte ermittelt.
  2. Die Fotodioden haben keine konstante Empfindlichkeit über das gesamte sichtbare Lichtspektrum. Verschiedene Lichtquellen haben aber unterschiedliche Spektren. Dadurch kann man bei gleicher Lichtstärke je nach Sensor zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen.

Die meisten Sensoren besitzen eine separate IR-Fotodiode mit deren Hilfe der Messwert des sichtbaren Lichtes korrigiert werden kann. Allerdings sind auch die IR-Spektren unterschiedlicher Lichtquellen unterschiedlich. Damit ergibt sich dieselbe Problematik wie beim sichtbaren Licht (Punkt 2).

Ein Versuch mit kommerziellen Luxmetern

Ich möchte zu der Lichtquellenproblematik noch einmal ein Beispiel aus meinem letzten Beitrag bringen, der verdeutlicht, wie unterschiedlich Luxmessungen bei unterschiedlichen Lichtquellen ausfallen können (Entschuldigung an alle, die das jetzt zum zweiten Mal lesen!).

Viele kommerziell erhältliche Luxmeter sind auf Glühlampenlicht kalibriert, was man ja kaum noch findet. Mit den beiden unten abgebildeten Luxmetern habe ich bei Glühlampenlicht gut übereinstimmende Ergebnisse ermittelt. Was hingegen bei natürlichem Außenlicht an einem bedeckten Tag passiert, seht ihr hier:

Sensorvergleich - Messung bei decktem Himmel: 5200 vs 7255 Lux
Messung mit Luxmetern bei bedecktem Himmel: 5200 vs. 7255 Lux

Sensorvergleich – Versuchsreihe mit Lichtsensoren

Ich habe mit den beiden Luxmetern und den Lichtsensoren Messungen bei Glühlampenlicht, Halogenlampenlicht und LED-Licht durchgeführt. Den APDS-9960 habe ich nicht mit einbezogen, da er keine Werte in Lux liefert. Ich habe versucht, die Sensoren immer im gleichen Abstand und Winkel zur jeweiligen Lichtquelle auszurichten. Mein Versuchsaufbau dabei genügt sicherlich keinen wissenschaftlichen Ansprüchen. Aber ich habe einige Werte wiederholt und die Schwankung lag unterhalb fünf Prozent – immerhin. Hier nun das Ergebnis:

Sensorvergleich: Luxwerte bei verschiedenen Lichtquellen
Sensorvergleich: Luxwerte bei verschiedenen Lichtquellen

Die Ergebnisse haben mich doch sehr überrascht. Denn zum einen ist die Schwankung sehr hoch, zum anderen hätte ich aufgrund des sehr speziellen Spektrums des LED Lichtes dort eine höhere Schwankung von Sensor zu Sensor als beim Glühlampenlicht erwartet. Was nun richtige oder falsche Werte sind, ist schwer zu sagen. Einzig verlässlich ist der Messwert des Voltcraft Luxmeters bei Glühlampenlicht, da es entsprechend kalibriert wurde. Zumindest unter diesen Bedingungen liefern der SI1145 und der BH1750 sehr gute Ergebnisse.

Insgesamt ein bisschen ernüchternd, nicht wahr? Ich muss deshalb das Fazit ziehen, dass exakte Luxmessungen doch eine gewisse Herausforderung darstellen. Wer es genau wissen möchte, der kommt nicht umhin, die Berechnungsparameter den Lichtquellen unter Zuhilfenahme kalibrierter Messgeräte oder Lichtquellen anzupassen.

Sensorvergleich – Abstand

Diese Sensorfamilie lässt sich in zwei Gruppen unterteilen:

  • Gruppe 1 liefert Abstände in absoluten Werten, z.B. Zentimeter
    • das sind wirkliche Abstandssensoren
  • Gruppe 2 liefert dimensionslose Werte
    • werden oft auch als Näherungssensoren (Proximity) bezeichnet

Jeder Abstandssensor lässt sich natürlich auch als Bewegungssensor nutzen, andersrum jedoch nicht. Deshalb behandele ich die Bewegungssensoren separat. 

„Echte“ Abstandssensoren

Abstandssensoren senden Ultraschall- oder Infrarotlichtsignale aus. Befinden sich Objekte im Erfassungsbereich, dann werden die von ihnen reflektierten Signale vom Sensor erfasst. Über die Zeit und die Schall- bzw. die Lichtgeschwindigkeit wird der Abstand berechnet. Bei den lichtbasierten Sensoren bin ich nach wie vor höchst beeindruckt, dass ein Bauteil für wenige Euros solche extrem kurzen Zeiten erfassen kann.

Ultraschall Abstandssensoren

JSN-SR04T und HC-SR04
JSN-SR04T (links) und HC-SR04 (rechts)

Der Klassiker unter den Abstandssensoren ist der HC-SR04. Es gibt wohl kaum ein Einführungsbuch über Arduino & Co. in dem dieser Sensor nicht genannt ist. Eine interessante Variante ist der JSN-SR04T, da der eigentliche Sensor wasserdicht ist und durch seine geringe Größe flexibel installierbar ist.

Die Ultraschall-Abstandssensoren liefern erstaunlich exakte Werte. Ich tue mich aber schwer, einen exakten Fehler anzugeben, da die Genauigkeit einer Messung von der Größe und Geometrie des zu erfassenden Objektes abhängt. Hinzu kommt, ob man Einflüsse auf die Schallgeschwindigkeit, wie z.B. Temperatur und Luftfeuchte in die Berechnung mit einbezieht.

Time of Flight Abstandssensoren

Sensorvergleich – Abstandsmessung mit Licht

Zu den Sensoren, die Abstände über die Lichtgeschwindigkeit erfassen (Time of Flight = ToF), gehören der VL6180X, der VL53L0X und dessen großer Bruder, der VL53L1X. Die drei unterscheiden sich vor allem in ihrer Reichweite (siehe Tabelle ganz oben) und damit in ihren typischen Anwendungen. Der VL53L1X ist das neueste Modell. Dadurch ist er (noch)  recht teuer. Mit 16 bis 22 Euro seid ihr in deutschen Shops dabei, direkt aus China gibt es ihn schon für die Hälfte. Dann allerdings mit mehreren Wochen Lieferzeit. Die Genauigkeit der Messergebnisse ist nach meiner Erfahrung etwas schlechter als bei den Ultraschallsensoren. Vorteilhaft hingegen ist die geringere Größe der Module. Mehr Informationen findet ihr in meinen Beiträgen zu diesen Teilen.

Näherungssensoren

Sensorvergleich - die Näherungssensoren APDS-9960, SI1145 und AP3216
Sensorvergleich – die Näherungssensoren APDS-9960, SI1145 und AP3216

Diese Näherungssensoren hatten wir weiter oben schon als Lichtsensoren kennengelernt. Sie besitzen IR-Sensoren, die sie zur Lichtstärkemessung bzw. zur Korrektur derselben benutzen. Ausgestattet mit einer zusätzlichen Sende-IR-LED können Sie das von in Reichweite befindlichen Objekten reflektierte IR-Licht erfassen. Da die IR-LEDs nur kurze Pulse senden, können die Sensoren das Umgebungs-IR-Licht vom eigentlichen Signal unterscheiden. Der SI1145 hat keine integrierte IR-LED. Stattdessen schließt ihr sie extern an den Anschluss „LED“ an.

Es liegt in der Natur der Sache, dass die Sensoren mit dieser Testmethodik keine wirklichen Abstände erfassen können. Die Größe des Signals hängt neben dem Abstand vom Grad der Reflexion und der Größe des Objekts ab. Wohl aber kann man aus den Daten ablesen, ob sich ein Objekt nähert oder entfernt.

Unterscheiden tun sich die drei Sensoren zunächst einmal in der Reichweite (siehe Tabelle ganz oben). Erwähnenswert ist noch die Interruptfunktion des APDS-9960 und des AP3216. Ihr könnt Ober- und Untergrenzen einstellen, bei denen ein Interrupt ausgelöst werden soll. Die Interruptfunktion des SI1145 hingegen dient der Information, dass eine Messung beendet worden ist.

Sensorvergleich – Bewegung

Sensorvergleich: HC-SR501 und RCWL0516
Sensorvergleich: HC-SR501 und RCWL0516

Reine Bewegungssensoren zeigen an, wenn innerhalb ihres Erfassungsbereiches eine Bewegung auftritt. Die Entfernung zum Objekt hingegen können sie nicht messen.

Der Klassiker schlechthin unter den Bewegungssensoren ist der HC-SR501. Sein Messprinzip beruht auf dem pyroelektrischen Effekt. Dieser bewirkt, dass sich das Potenzial an einem pyroelektrischen Kristall mit der Temperatur ändert. Die Temperaturänderung wird hier durch die Infrarotstrahlung warmer Körper (Menschen oder Tiere) im Erfassungsbereich erzeugt. Detaillierter habe ich das in meinem Beitrag zu diesem Bauteil beschrieben.

Das Messprinzip des RCWL0516 könnte nicht unterschiedlicher sein. Das Modul sendet Mikrowellen aus, die von allen Objekten im Erfassungsbereich reflektiert werden. Bewegt sich das Objekt in Richtung des Sensors oder von ihm weg, dann gibt es eine sehr geringe Frequenzverschiebung (Doppler-Effekt), die der RCWL0516 erkennt. Jeder kennt das Phänomen beim Schall. Das „Tatütata“ eines sich nähernden Kranken- oder Polizeiautos klingt höher als wenn sich das Auto entfernt.

Trotz des unterschiedlichen Messprinzips haben beide Bewegungsmelder viele Gemeinsamkeiten:

  • Die Reichweite beträgt bis ca. 7 Metern, wobei der RCWL0516 ab 5 Metern etwas unzuverlässiger wird.
  • beide lassen sich hinsichtlich ihrer Reichweite herunterregeln
  • beide haben einen Ausgangspin der HIGH geht, wenn ein Signal detektiert wird
  • bei beiden lässt sich die Länge der HIGH Phase einstellen
  • bei beiden lässt sich einstellen, ob ein weiteres Signal während der HIGH Phase selbige entsprechend verlängert oder ob es ignoriert wird

Ein großer Unterschied ist, dass man die Einstellungen am HC-SR501 bequem mit Jumpern und Potis vornehmen kann. Beim RCWL0516 hingegen muss man löten. Ein schönes Feature des RCWL0516 ist wiederum, dass man in mit einem Fotowiderstand bestücken kann, um die Bewegungsmeldung bei Tageslicht zu deaktivieren.

Sensorvergleich – Gestik und Farbe

Gestik hat mit Farbe natürlich nicht viel zu tun. Ich fasse beides lediglich zusammen, da unter den besprochenen Sensoren nur der APDS-9960 diese beiden Features besitzt. 

Für die, die es genau nehmen: alle Näherungs- und Abstandssensoren können eindimensionale Gesten erkennen, nämlich „hin“ und „weg“. Diese simple Form der Gestenerkennung lasse ich aber mal außen vor. Der APDS-9960 besitzt jedoch vier gerichtete Fotodioden und kann deshalb auch noch Links-Rechts und Hoch-Runter Bewegungen erkennen. Damit lassen sich ganz nette Dinge realisieren, wie z.B. das An- und Ausschalten von Lampen per Handbewegung.

Die Farberkennung funktioniert über Fotodioden mit entsprechenden Farbfiltern. Als Messergebnis erhält man einen RGB-Wert. Man darf sich allerdings nicht zu viel davon erwarten, aber ein reines Rot, Grün oder Blau werden schon sehr deutlich voneinander unterschieden.

Wer nur die Farberkennungsfunktion braucht, für den kommt vielleicht noch TCS230/TCS3200 infrage, den ich in meiner Reihe nicht besprochen habe:

TCS230 / TCS 3200 Farbsensor

Danksagung

Wieder einmal habe ich für das Beitragsbild ein Männchen von Peggy und Marco Lachmann-Anke aus Pixabay verwendet.

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